南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室的张海军教授与复旦大学物理系王靖教授课密切合作,在磁性拓扑绝缘体研究方面取得重要进展,相关研究成果以《Topological Axion States in the Magnetic Insulator MnBi2Te4 with the Quantized Magnetoelectric Effect》为题,于2019年05月20日在线发表Phys. Rev. Lett. 122, 206401 (2019)。南京大学博士生张冬芹同学和施敏吉同学为该论文的共同第一作者。张海军教授和王靖教授为共同通讯作者。南京大学邢定钰院士深入指导了本项工作。该项工作为南京微结构科学与技术协同创新中心的协作创新成果。
近年来,拓扑材料探索和拓扑物性研究是当前凝聚态物理领域中的一个重要研究方向。1982年,Thouless等人最早指出整数量子霍尔效应态的拓扑不变性,具有拓扑不变量TKNN数。此后,各种拓扑量子态伴随着不同的拓扑不变量,如雨后春笋般层出不穷。从二维的量子自旋霍尔效应态(如HgTe/CdTe量子阱体系)和量子反常霍尔效应态(如Cr掺杂的(BiSb)2Te3体系)到三维拓扑绝缘体(如Bi2Se3体系),从拓扑绝缘体到拓扑半金属(如Weyl半金属和Dirac半金属)和拓扑超导体,从厄米系统的拓扑量子态到非厄米系统的拓扑量子态,从凝聚态中的拓扑材料到拓扑声子晶体、拓扑光子晶体和拓扑电路,等等。
脱离拓扑材料来谈拓扑物性是没有意义的。到目前,拓扑材料的发现和拓扑物性的研究大多集中在时间反演不变的系统,譬如,具有时间反演对称性的三维拓扑绝缘体Bi2Se3和具有时间反演对称性的Weyl半金属TaAs。相对来说,时间反演对称性破缺的拓扑物性研究严重滞后,主要原因是时间反演对称性破缺的体系一般具有复杂的磁性态,譬如多样的磁结构和磁畴,使得实验研究和调控变得相当困难。然而,恰恰是磁性拓扑体系具有更多有意思的拓扑物理现象,像量子反常霍尔效应、拓扑磁电效应、拓扑axionic极化激元等。当前,理论和实验研究重点研究的磁性拓扑绝缘体是磁性掺杂的(BiSb)2Te3体系。2013年,清华大学的薛其坤院士团队在该体系中首次实现了量子反常霍尔效应态。但是该体系属于稀磁掺杂,磁性交换作用较弱,另一方面,样品比较‘脏’。这些问题的存在,促使人们去寻找更为干净的本征拓扑磁性体系。
图表 1:(a),MnBi2Te4晶格结构原包,红色箭头表示Mn原子的磁矩。绿色箭头表示平移矢量。(b),反铁磁MnBi2Te4的能带结构,具有0.2eV的能隙。(c),Wilson loop计算。表明体系具有拓扑非平庸性质。(d,e)(001)表面上具有能隙的表面态(d),(011)表面(保持S对称性)上无能隙的拓扑表面态。
本项工作,基于第一性原理计算和理论分析,发现MnBi2Te4系列化合物是一类拓扑非平庸的磁性体系。我们发现MnBi2Te4的磁性基态是共线的A类反铁磁绝缘体,并且具有大的体能隙(0.2eV)。在基态时,虽然体系破坏时间反演对称性,但是满足时间反演T和平移τ1/2的联合对称性S=Tτ1/2。在S对称性保护下,三维反铁磁MnBi2Te4受二维拓扑不变量Z2保护并且其拓扑磁电响应作用量中θ相为π。该反铁磁拓扑绝缘体MnBi2Te4不同于典型的拓扑绝缘体Bi2Se3,只在特定的满足S对称性的晶面上具有拓扑保护的无能隙表面态,其他晶面上表面态打开能隙。故而,如果样品表面避开S对称性的晶面时,我们可以得到表面态完全打开能隙的具有θ=π的磁性拓扑绝缘体,实现量子化的拓扑磁电效应。
此外,从三维降到二维时,在该体系存在奇偶层依赖的电子态调控。在奇数层时,体系具有额外的净铁磁层。基于理论计算,我们发现在三层及以上厚度的奇数层MnBi2Te4薄膜可以实现量子反常霍尔效应。优于Cr掺杂的(BiSb)2Te3体系的地方是,奇数层MnBi2Te4薄膜是本征的磁性绝缘体,具有强的磁性交换作用和干净的材料成分。在偶数层时,体系没有额外的净铁磁层, MnBi2Te4薄膜是拓扑平庸的反铁磁绝缘体。单层MnBi2Te4薄膜可以实现磁矩朝向面外的铁磁绝缘体,类似于二维铁磁绝缘体CrI3。
总的来说,该项工作发现了一类本征的磁性拓扑绝缘体(XTe)m(Bi2Te3)n体系平台,其中X=Mn和Eu,譬如MnBi2Te4,EuBi2Te4,MnBi4Te7等。以MnBi2Te4为代表:在三维体结构时,反铁磁MnBi2Te4可以实现量子化的拓扑磁电效应。在二维薄膜时,可以实现本征磁性的量子反常霍尔效应。目前,该系列体系,特别是MnBi2Te4引起国内外同行的广泛关注,已经被多个实验组成功合成,进一步的实验和理论研究正在逐步展开。
该项工作得到国家自然科学基金委,江苏省双创人才计划和霍英东青年教师基金的资助,在此表示感谢。
文章链接:
Topological Axion States in the Magnetic Insulator MnBi2Te4 with the Quantized Magnetoelectric Effect
Dongqin Zhang, Minji Shi, Tongshuai Zhu, Dingyu Xing, Haijun Zhang and Jing Wang
Phys. Rev. Lett. 122,206401 (2019)
Website: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.206401
(物理学院 科学技术处)
删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)
张海军教授课题组在磁性拓扑绝缘体研究方面取得重要进展
本站小编 Free考研考试/2021-02-15
相关话题/工作 材料
化学化工学院郑佑轩课题组在《先进材料》等报道手性材料和器件方面的研究进展
手性发光材料由于具有特殊的左、右手性结构,除了能够发射出普通的光致发光外,还能够发射出圆偏振光(CPL),以手性发光材料为发光中心制备能够直接发射出圆偏振电致发光(CPEL)的器件,即CP-OLEDs,在3D显示领域有极大的应用前景。但国际上的文献报道很少,并且器件的亮度和效率普遍很低,效率滚降严重 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15现代工程与应用科学学院朱嘉教授课题组在微纳热学传输研究取得新进展:开发新型二维材料转移方法
现代工程与应用科学学院朱嘉教授课题组在微纳材料热学传输领域取得新进展,研究开发了一种新型的乙醇辅助二维材料转移方法,该工作以《EthanolAssistedTransferforCleanAssemblyof2DBuildingBlocksandSuspendedStructures》为题发表在Ad ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15燕红课题组在超长有机磷光方面的研究获得最新进展---硼簇发光材料
长余辉发光,是指光激发停止后,仍持续发光的现象。由于其长时间的发光特性,该材料广泛应用在显示、装饰等光电子器件领域。与无机长余辉材料(金属氧化合物和金属配合物等)相比,有机长余辉材料具有柔性、丰富的激发态性质以及低成本、易修饰等特点,近几年来受到了科研工作者的广泛关注。然而在室温条件下,由于弱的自旋 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15现代工程与应用科学学院周豪慎、郭少华团队在钠离子电池正极材料离子混排研究方面取得重大进展
近日,现代工程与应用科学学院豪慎教授、郭少华副教授团队以Na0.8Co0.4Ti0.6O2为模型,通过球差电镜技术和傅里叶密度差分相结合的方法首次直接的观测到了层状钠离子电池正极材料中存在阳离子可逆混排现象,为钠离子电池的开发和设计提供了新的思路,并为层状电极材料研究提供了新的理论模型。相关工作已于 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15现代工程与应用科学学院邓正涛教授团队制备发光效率接近100%非铅卤化物钙钛矿材料并应用于高效环保的白光LED光源
自2014年以来,铅卤钙钛矿纳米晶材料因其优异的发光性能,引起了人们广泛的研究兴趣。然而,铅卤钙钛矿材料由于铅的毒性问题,对环境将产生一些潜在风险。因此,科学界一直在寻找低毒性的金属卤化物钙钛矿材料作为后备策略。锡与铅为同一主族元素,理论计算得知锡基卤化物钙钛矿材料同样具有合适的能带隙和优异的性能。 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15现代工程与应用科学学院邓正涛教授团队在铅卤钙钛矿纳米晶-高分子复合材料在广色域显示和太阳能聚光发电中的应用研究中取得进展
近年来,金属卤化物钙钛矿材料由于具有优异的光电性质和潜在的应用前景,引起了人们广泛关注。基于金属卤化物钙钛矿纳米晶的尺寸和组份依赖的能带隙可调、高光吸收系数、高荧光量子产率、窄的荧光发射半峰宽、可调的斯托克斯位移、简便的溶液相合成等特点,钙钛矿纳米晶体是实现广色域显示器件和太阳能聚光发电窗户应用的理 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15大气科学学院黄昕副教授等合作研究的氨减排环境效应的工作在《美国科学院院刊》发表
2019年4月2日,《美国科学院院刊》(ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica-PNAS)以"AmmoniaemissioncontrolinChinawouldmitigatehazepollution ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15李承辉、左景林等在高强度自修复材料方面取得新进展
自修复材料由于可以有效地延长材料的使用寿命、提高材料安全性以及减少废弃物的产生,在航空、军工、建筑以及工程等领域中有着重要应用而受到广泛关注。经过多年的发展,自修复材料的研究已经从探索新类型和新机理走向了功能化和应用化。为了满足实际应用中对材料强度的需求,开发具有优异机械性能的自修复材料成为目前的研 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15《自然·材料》报道物理学院高力波课题组在可控生长环境稳定型二维硒化物薄膜的最新成果
以石墨烯为代表的二维材料,由于具有不同于其块体材料的特殊力、热、光、电、磁等物理性能,在多个学科领域掀起了研究热潮。其中,二维化的过渡金属硫族化合物,包括过渡金属硫化物(例如MoS2、WS2、ReS2等)、硒化物(例如WSe2、NbSe2、TiSe2、InSe、FeSe等)和碲化物(例如WTe2等) ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15燕红、徐静娟课题组合作在碳硼烷基水相聚集诱导的电致化学发光材料方面取得最新进展
聚集诱导电致化学发光(Aggregation-InducedElectrochemiluminescence,AIECL)是近年来发展的一种将具有聚集诱导发光(AIE)性质的材料应用于电致化学发光的方法,特别是在固相及水相检测中。电致化学发光(ECL)相对于光致发光(PL)具有检测限低,灵敏度高、适 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15