理论预测：这种构型的铁磁轴子绝缘体，可实现拓扑磁电效应 | NSR

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近日，《国家科学评论》（National Science Review, NSR）在线发表了南科大物理系刘奇航副教授课题组的研究成果。研究者通过设计轴子绝缘体的几何构型，理论预言：具有三棱柱构型的铁磁轴子绝缘体，如MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)_n系列材料，是实现拓扑磁电效应的理想平台。该研究指出了几何构型设计在实现拓扑磁电效应中的重要作用，提出了在铁磁材料中实现拓扑磁电效应的方案。

拓扑场论预言轴子绝缘体具有独特的拓扑磁电响应，即在材料中施加外电场（外磁场）可导致平行于外场的轨道磁矩（电极化）。近年来，有多个反铁磁体系被实验证明为轴子绝缘体，但一直未能在其中观测到拓扑磁电效应。这是因为实现拓扑磁电效应需要体系的所有表面都具有符号相同的磁性能隙，实验上难以实现这种复杂的表面磁构型。例如，下图中的（a）（b）分别为具有表面刺猬型磁矩的三维球形拓扑绝缘体和具有侧表面法向磁矩的圆柱形拓扑绝缘体，它们在理论上可实现拓扑磁电效应，但在真实材料中难以实现。

示意图：三棱柱铁磁MnBi₂Te₄（d）实现拓扑磁电效应

而对于铁磁体系（如上图c），赤道区域因存在无能隙的手征模，在外电场下南北半球区域霍尔环流方向相反，无法产生净轨道磁矩。在这项工作中，该研究团队指出，经过特殊的几何构型设计，铁磁轴子绝缘体在外电场下能诱导表面霍尔环流，同样能实现拓扑磁电效应。与此前的反铁磁方案不同，该体系只需共线铁磁序，在著名的本征磁性拓扑绝缘体MnBi₂Te₄家族上可容易实现。如上图（d）所示，通过几何构型设计，三棱柱铁磁MnBi2Te4的侧表面在外电场下同时存在互不干涉的霍尔环流以及高阶拓扑效应引起的手征态，可产生净轨道磁矩，实现拓扑磁电效应。

进一步，研究团队通过线性响应理论进行计算，在铁磁轴子绝缘态的MnBi₂Te₄中得到了接近量子化的拓扑磁电响应系数，表明该体系是实现拓扑磁电效应的理想平台。

线性响应理论下三棱柱铁磁MnBi₂Te₄的磁电响应系数

该研究首次证明了几何构型设计在实现拓扑磁电效应中重要性，对实验上实现拓扑磁电效应提供了新思路。

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