npj: Bi2MnSe4—预测Weyl半金属相和反铁磁拓扑绝缘体相

Original npj 知社学术圈 2021-06-13

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自十年前发现时间反演不变（Z2）拓扑绝缘体以来，由于科学内涵和潜在的应用前景，人们对拓扑凝聚态体系的探索兴趣大大增加。尽管如此，找到具有多相组成的强大材料，特别是那些具有时间反演对称性（TRS）破缺相的材料，仍然具有极高的挑战性。比如，Chern绝缘体是具有量子反常霍尔效应的二维绝缘体，最初由Haldane于1988年证明，但直到最近才在实验室中合成出来。目前基于磁掺杂拓扑绝缘体的量子反常霍尔材料仅存在于极低温度（~1 K）下，但这一限制却不是无法打破的，人们仍怀着极大的兴趣在寻找有更大带隙和更高磁序温度的Chern绝缘体。

来自美国国家标准与技术研究所材料测量实验室的Sugata Chowdhury教授等，使用密度泛函理论和基于Wannier的紧束缚模型研究了Bi₂MSe₄(BMS,M=Pb,Mn)的电子性质，并预测了一系列拓扑非平凡相。他们之前通过分子束外延生长法获得了具有化学计量组成的Bi₂MSe₄磁系统薄膜，并发现在外延生长期间引入元素Mn后会形成纯Bi₂Se₃的层间Bi₂MSe₄层。在本研究中，他们重点探讨了这种晶体结构的拓扑性质。发现由于Z点处的自旋轨道诱导的能带反转，Bi₂MSe₄成为时间反演不变拓扑绝缘体。

将其能带反转与磁性相结合的研究发现，依据磁性有序的对称性和样品的厚度，该类材料可以通过时间反演对称性破缺转化到许多不同的拓扑相：节线系统、磁性Weyl半金属、反铁磁拓扑绝缘体或Chern绝缘体，以及半整数量子反常霍尔效应体。其能带反转是连接所有这些非平凡拓扑相的基本驱动力。然而，磁序和维数控制着费米能级附近能带的对称性，从而可改变能带反转后半金属相或绝缘相的形成，以及与能带反转相关的拓扑不变量、拓扑表面和拓扑边缘特征的变化。该研究有望通过使用诸如外部磁场或温度等外场微扰来控制样品厚度和自旋有序性，从而实现实验观测到这些密切相关的各种相。Bi₂MSe₄因其强磁相互作用和显著的带隙，有望成为研究高温下化学计量化合物和时间反演对称性破缺拓扑相的重要材料。

该文近期发表于npj Computational Materials 5: 33 (2019)，英文标题与摘要如下，点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。

Prediction of Weyl semimetal and antiferromagnetic topological insulator phases in Bi₂MnSe₄

Sugata Chowdhury, Kevin F. Garrity & Francesca Tavazza

Three-dimensional materials with strong spin–orbit coupling and magnetic interactions represent an opportunity to realize a variety of rare and potentially useful topological phases with broken time-reversal symmetry. In this work, we use first principles calculations to show that the recently synthesized material Bi₂MnSe₄ displays a combination of spin–orbit-induced band inversion, also observed in non-magnetic topological insulator Bi₂PbSe₄, with magnetic interactions, leading to several topological phases. In bulk form, the ferromagnetic phase of Bi₂MnSe₄ has symmetry protected band crossings at the Fermi level, leading to either a nodal line or Weyl semimetal, depending on the direction of the spins. Due to the combination of time reversal symmetry plus a partial translation, the ground state layered antiferromagnetic phase is instead an antiferromagnetic topological insulator. The surface of this phase intrinsically breaks time-reversal symmetry, allowing the observation of the half-integer quantum anomalous Hall effect. Furthermore, we show that in thin film form, for sufficiently thick slabs, Bi₂MnSe₄ becomes a Chern insulator with a band gap of up to 58 meV. This combination of properties in a stoichiometric magnetic material makes Bi₂MnSe₄ an excellent candidate for displaying robust topological behavior.