层状磁性材料MnSb2Te4、MnBi2Se4和MnSb2Se4的磁性拓扑态

拓扑绝缘体的发现丰富了人们对新奇量子物质态的认识，这是由于在拓扑绝缘体中，样品的表面存在受到拓扑保护的表面态。更引人注目的是，磁性和拓扑能带的结合可以产生多种新奇的拓扑量子态。最近报道的层状MnBi₂Te₄就是兼具磁性与拓扑特性的三维磁性拓扑绝缘体，该材料可看作是将反铁磁材料MnTe插层到三维拓扑绝缘体Bi₂Te₃中。理论和实验结果表明MnBi₂Te₄相邻两层之间是反铁磁耦合，这种特殊的磁构型导致其层状体系中存在两种截然不同的量子现象：奇数层的MnBi₂Te₄具有量子反常霍尔效应，而偶数层MnBi₂Te₄表现为轴子绝缘体。因此，寻找更多的且实验可能制备的层状材料是人们非常关心的话题。

张会生副教授与合作者报道了一类与MnBi₂Te₄晶体结构相且具有拓扑特性的层状磁性材料MnSb₂Te₄、MnBi₂Se₄和MnSb₂Se₄，如图（a）。具体的研究结果发现，通过施加一定的应力可将反铁磁态的MnSb₂Te₄、MnBi₂Se₄和MnSb₂Se₄变成三维磁性拓扑绝缘体，如图（b）。对于铁磁态的MnSb₂Te₄是一种II型Weyl半金属，在费米能级附近存在一对Weyl点，如图（c）；对于铁磁态的MnBi₂Se₄和MnSb₂Se₄体系施加较小的压力时，这两个体系也可变成Weyl半金属。此外研究还发现，层状铁磁的MnBi₂Se₄和MnSb₂Te₄中也可以实现量子反常霍尔效应。以上结果表明，MnBi₂Te₄类材料MnSb₂Te₄、MnBi₂Se₄和MnSb₂Se₄中存在丰富的磁性拓扑态。在该工作完成后，实验报道用MBE方法成功制备MnSb₂Te₄铁磁薄膜，其居里温度为45-50 K，且发现该材料存在拓扑特性。

研究成果以《Tunable topological states in layered magnetic materials of MnSb2Te4, MnBi2Se4, and MnSb2Se4》为题发表于Phys. Rev. B期刊上。

全文链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.103.094433

(a) 类MnBi₂Te₄材料的晶体结构; (b) 反铁磁类MnBi₂Te₄材料的拓扑特性; (c) 铁磁类MnBi₂Te₄材料表现出具有一对外尔点的半金属特性。