磁性拓扑材料中贝利曲率驱动的非常规电输运行为

近年来,磁性拓扑材料特别是磁性Weyl半金属越来越多地被发现,为研究拓扑输运行为提供了重要载体.磁性拓扑半金属材料具有动量空间的强贝利曲率,显著增强了电子的常规横向输运行为,也使得曾经被忽略或无法观测的输运效应逐渐浮现出来,导致当前广泛采用的经典输运方程不能准确地描述磁性拓扑电子的输运行为.本文从半经典输运方程出发,介绍磁性拓扑材料中新近出现的非常规电输运行为,内容涉及化学掺杂、磁场调制拓扑电子态、贝利曲率相关的线性正磁电阻及磁场线性依赖的输运行为.这些行为为磁性与拓扑相互作用下的电输运行为提供新的理解和思考.最后,对非常规电输运的发展进行总结和展望.

本征磁性拓扑绝缘体MnBi_(2)Te_(4)研究进展

本征磁性拓扑绝缘体非平庸拓扑态和磁有序的相互作用使其具备量子反常霍尔效应和轴子绝缘体等奇异物理性质,在低功耗拓扑自旋电子器件及拓扑量子计算等方面展现广泛应用前景.自2019年第一种本征磁性拓扑绝缘体MnBi_(2)Te_(4)在实验上被发现以来,该材料体系领域迅速吸引了大量研究者的目光,引发了研究热潮.本文将从MnBi_(2)Te_(4)基本性质出发,介绍近期本征磁性拓扑绝缘体MnBi_(2)Te_(4)的一些重要研究成果,着重阐述MnBi_2T_e4系列的量子反常霍尔效应、轴子绝缘体态和马约拉纳零能模等拓扑量子态,并列举该材料体系其他研究方向及目前存在的问题.最后,总结并展望MnBi_(2)Te_(4)的下一步研究,期望为相关领域人员的研究提供一定参考价值.

磁性拓扑绝缘体MnBi_(2)Te_(4)(Bi_(2)Te_(3))_(n)的扫描开尔文探针显微术研究

本征磁性拓扑绝缘体MnBi_(2)Te_(4)(Bi_(2)Te_(3))_(n)由于具有量子反常霍尔效应等新奇物理现象备受关注,该体系材料是由MnBi2Te4(MBT层)和Bi2Te3(BT层)堆叠而成的层状范德华异质结构,因其易于实验剥离,人们对它的研究兴趣由块体材料转向二维薄膜,发现其层厚奇偶性特征与磁性拓扑性质密切相关。目前未有研究表明如何分辨二维极限下材料表面的解理面类型,阻碍了此材料薄膜体系中新奇现象的深入研究。本文利用扫描开尔文探针显微术(SKPM),研究了MnBi_(2)Te_(4)(Bi_(2)Te_(3))_(n)体系解理面的表面电学性质,利用其表面电学性质分辨解理面类型,并进一步探究解理面在大气环境下的稳定性以及材料表面电势对磁性的影响。研究表明,BT层的表面电势高于MBT层,通过SKPM图可分辨MnBi_(2)Te_(4)中解理面类型。MnBi_(6)Te_(10)和MnBi_(8)Te_(13)中不同的BT层表面电势相等,其类型可结合SKPM像和AFM像进行分辨。此外,研究发现此体系材料在大气环境中长时间放置会导致BT层与MBT层的表面电势升高,同时BT层与MBT层间电势差减小。SKPM作为一种分辨解理面类型的手段为深入研究此体系薄层材料的磁性拓扑性质提供了帮助,也为研究其他范德华异质结构的表面电学性质提供了新方法和思路。

磁性掺杂三维拓扑绝缘体的自旋相关光电流研究

通过圆偏振光致电流及反常圆偏振光致电流的光学实验方法,研究磁性掺杂对三维拓扑绝缘体的影响.在圆偏振光激发下,相对于未掺杂三维拓扑绝缘体Bi_(2)Te_(3),其光电流方向不变,但幅值有所减小.这是由于磁性掺杂使得三维拓扑绝缘体狄拉克能带带隙打开,相同激发条件下,带间激发概率降低,光生自旋极化载流子浓度降低.对其光电导信号的分析则进一步表明,磁性掺杂使得拓扑绝缘体对激发光的吸收大大降低,进而限制了光电流的产生.此外,磁性掺杂三维拓扑绝缘体所产生的反常圆偏振光致电流随着发光位置发生了三次反向,这是由于磁性掺杂三维拓扑绝缘体的上下表面态分别贡献了方向相反的光电流,通过拟合,分离了上下表面态各自的贡献.

强三维拓扑绝缘体与磁性拓扑绝缘体的角分辨光电子能谱学研究进展

拓扑材料的发现标志着凝聚态物理学和材料科学的又一次革命.从电学属性来说,人们不再仅仅以导电性的强弱(能隙的有无)把材料划分为导体、半导体和绝缘体,而是进一步通过系统的整体拓扑不变量把材料划分为拓扑平庸的和拓扑不平庸的.拓扑绝缘体是最早发现的拓扑非平庸系统,以负能隙的体材料和无能隙的拓扑边缘态为标志.强三维拓扑绝缘体拥有连接导带和价带的狄拉克锥拓扑表面态,而引入铁磁性会使拓扑表面态打开一个特殊的磁性能隙.这些新颖的材料在自旋电子学、非线性光学等广泛的领域有潜在的应用价值,更是将来的拓扑量子计算中不可或缺的核心材料.作为应用最广泛的一种直接观察k空间的实验手段和表面物理的重要分析工具,角分辨光电子能谱(ARPES)在拓扑材料的研究中一直处于举足轻重的地位.从拓扑绝缘体的最初发现到现在,利用ARPES研究强三维拓扑绝缘体和磁性拓扑绝缘体的文章已数以千计,不胜枚举.本文试从材料分类的角度对这两类材料的部分ARPES研究作一综述,侧重于描述利用ARPES研究此类材料的一般方法和过程,力求使读者对这一领域的研究现状有一个基本的概念.本文假定读者具有ARPES的基础知识,因此对ARPES的基本原理和系统构成不作讨论.

本征磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4电子结构的压力应变调控

由于MnBi2Te4电子结构具有对晶格常数的改变相当敏感的特性,本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对MnBi2Te4反铁磁块体的电子结构施加等体积应变调控.研究发现体系能带结构在材料等体积拉伸和压缩作用下变化灵敏,体系出现绝缘体-金属相变.特别地,当施加特定应变后导带和价带在Γ处出现交叉,体系呈零带隙状态.在此应变下仍可观察到能带反转的现象,具有非平庸的能带拓扑性质.根据不同应变下的电荷密度图,发现等体积应变会影响体系七倍层层间距,其中等体积压缩和拉伸应变可分别增大和减小Te原子层间距,表明等体积压缩有利于降低反铁磁层间耦合.通过等体积压力应变调控,掌握了MnBi2Te4的电子结构的变化规律,这对本征磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4的物性研究和实验制备具有重要的指导意义.

共振非弹性X射线散射在量子材料领域的应用

共振非弹性X射线散射(resonant inelastic X-ray scattering,RIXS)是一种先进的基于同步辐射和自由电子激光光源的光进光出的谱学探测手段.在过去的十几年,RIXS的能量分辨不断被提高,其对凝聚态物质的研究也从最初的晶体场分裂和电荷转移激发,发展到产生于包括电荷、自旋、轨道、晶格4个量子自由度的集体激发行为及相关的序参量.本文总结了近几年高分辨软X射线RIXS在量子材料领域,如铜基和镍基高温超导材料等离子激发及磁激发的研究,量子材料中的集体轨道激发、激子激发和高阶磁激发,以及对磁性金属和拓扑磁性材料中磁激发的探测.

磁性斯格明子的多场调控研究

斯格明子(skyrmion)的概念最早是由英国的粒子物理学家Tony Skyrme提出,它被用来描述粒子的一个状态,是一种拓扑孤立子.磁性斯格明子是一种具有拓扑行为的新型磁结构,其空间尺寸为纳米量级,空间距离从纳米到微米量级可调;其存在温度涵盖从低温、室温到高温的宽温区;其材料体系不仅包括早期发现的低温区B20型中心对称破缺的铁磁体和螺旋磁有序的弱铁磁材料,也包括近期发现的室温及以上的中心对称六角结构磁性MnNiGa金属合金和磁性薄膜/多层膜体系.利用磁性斯格明子的拓扑磁结构可以实现类似于自旋阀或者磁性隧道结中的自旋转移矩效应,即外加电流可以驱动斯格明子,其临界电流密度比传统翻转磁性多层膜体系中磁矩的电流密度(一般为10~7A/cm^2)要低5个数量级,约为10~2A/cm^2,该临界值远低于硅基半导体技术中沟道电流密度的上限,在未来的磁信息技术中具有广泛的应用前景.本综述简单介绍了磁性斯格明子的发展历程,归纳总结了磁性斯格明子的材料体系,介绍了观察磁性斯格明子的实验手段,重点介绍了多场(磁场、电流、温度场)调控作用下中心对称MnNiGa合金和Pt/Co/Ta磁性多层膜体系中磁性斯格明子的产生、消失以及外场调控演变等动态行为.

透射电镜在磁性斯格明子领域的应用

介绍了透射电镜研究磁性斯格明子的原理,以及利用透射电镜结合温度、电流、磁场等外场原位技术协同调控拓扑磁畴结构的方法。该调控方法不仅可以高分辨率表征静态磁性斯格明子的自旋组态,还可以原位、实时展示外场调控的动力学过程,具有在实空间、原位、实时、高分辨率解析斯格明子演变的优势。综述了该方法在中心对称块体、对称性破缺材料和铁磁薄膜等3个主要磁性材料体系中,对拓扑磁畴结构的调控作用。获得了宽温区、高密度、零场非易失性的斯格明子,分析了拓扑磁畴结构的温度稳定性、高密度和非易失性,揭示了磁各向异性对斯格明子自旋组态和密度影响的物理机制和规律。透射电镜所具有的纳米尺度高分辨分析磁畴结构以及原位外场调控的优势将有助于磁涡旋、磁麦纫、磁性斯格明子、磁泡等多种新型拓扑磁畴结构的分析和探索。

磁斯格明子研究现状综述

磁斯格明子是具有拓扑保护的涡旋磁结构,它因尺寸小、结构稳定、易调控、驱动阈值电流小等诸多优点,有望成为下一代高容量、高速读写、低功耗、非易失性信息存储及逻辑运算的信息载体.它在基础前沿物理研究中的意义以及在未来的信息技术中具有广泛的应用前景,吸引了众多研究者的兴趣.目前已经发现的磁斯格明子能在不同材料体系中跨多个温度区域存在,如低温区B20型中心对称破缺的块体材料或室温区的磁性薄膜材料,以及最近预言的二维单层磁性Janus材料.在这些材料体系中,结构对称性破缺和自旋轨道耦合导致的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)是诱导诸如磁斯格明子等手性磁结构稳定存在的关键因素.简要介绍磁斯格明子的发展历程,归纳总结磁斯格明子的材料体系、研究方法以及基于磁斯格明子的电子学器件,并着重从第一性原理计算的角度出发探讨DMI的物理本质.

二维及拓扑自旋物理

第309期双清论坛“二维及拓扑自旋物理”总结了我国二维磁性和实空间拓扑自旋物态的相关研究进展,分析了进一步发展所面临的机遇与挑战,梳理了寻找高磁有序温度的新材料体系、拓扑及手性自旋物理、新颖拓扑磁结构的发现与表征技术等一系列未来主要研究方向,并探讨了科学基金资助模式与策略。论坛凝练出了二维及拓扑自旋物理研究领域未来5~10年的重大关键科学问题,主要包括:(1)二维磁性材料及其异质结构的物性研究;(2)拓扑磁学与自旋物理研究;(3)高分辨拓扑磁结构表征与多场调控研究;(4)低维自旋材料、物理与器件原理研究等。论坛基于二维及拓扑自旋物理研究领域的现状分析和未来展望,提出了进一步发展的建议。

从磁性掺杂拓扑绝缘体到内禀磁性拓扑绝缘体——通往高温量子反常霍尔效应之路

量子反常霍尔效应被认为是已知的拓扑量子效应中最有希望获得广泛实际应用的一个。阻碍其应用的主要障碍是其很低的实现温度。文章介绍了在磁性拓扑绝缘体中量子反常霍尔效应的机理和决定其实现温度的因素,回顾了过去几年在提高量子反常霍尔效应实现温度方面的研究进展,尤其是最近内禀磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4的相关工作。在此基础上提出在磁性拓扑绝缘体系统中进一步提高量子反常霍尔效应温度的路线图。

低维磁性拓扑绝缘体与拓扑半金属

磁性与拓扑性之间复杂的相互作用引起了越来越多的关注.磁性拓扑材料展示了多种新奇的物理效应,有望应用于未来低功耗高速自旋电子学器件.本文从量子霍尔效应出发,回顾了磁性拓扑材料,包括陈绝缘体、反铁磁拓扑绝缘体、磁性外尔半金属及其他磁性拓扑态等在理论与实验上的进展,并详细介绍了我们课题组最近几年在磁性拓扑材料方面的理论工作.这些工作不仅增进了对磁性拓扑态分类的理解,也提供了实验上可能实现的材料体系.

层状磁性拓扑绝缘体VBi_(2)Te_(4)的第一性原理研究

层状磁性拓扑绝缘体MnBi_(2)Te_(4)的发现为探索新颖的量子现象(例如,量子反常霍尔效应和轴子绝缘态等)提供了新的契机。本文利用第一性原理软件VASP系统研究了与MnBi_(2)Te_(4)具有相同构型的新型磁性材料VBi_(2)Te_(4)的磁学、电学以及拓扑特性。研究结果发现VBi_(2)Te_(4)可以稳定存在,并且该材料可以很容易剥离至单层。计算结果表明块体VBi_(2)Te_(4)的层间耦合为反铁磁排列,当不考虑自旋轨道耦合作用时,该体系具有约为0.7 eV的能隙;而考虑自旋轨道耦合作用后,体系的能隙变为0.12 eV且伴随有能带的翻转。进一步的拓扑不变量(Z_(2))和边界态计算表明反铁磁VBi_(2)Te_(4)是三维磁性拓扑绝缘体。对于块体铁磁的VBi_(2)Te_(4),当不考虑自旋轨道耦合作用时,体系的能隙约为0.66 eV;同样地,自旋轨道耦合作用可以引起能带的翻转。随后的边界态计算证明铁磁的VBi_(2)Te_(4)也具有拓扑特性。该研究工作表明,与层状磁性拓扑绝缘体MnBi_(2)Te_(4)一样,磁性VBi_(2)Te_(4)块体材料也具有拓扑特性,其有望来实现各种有趣的拓扑量子态。

反铁磁轴子绝缘体候选材料EuIn_(2)As_(2)的表面原子排布和电子结构

非平庸的能带拓扑性与磁性结合可以产生丰富的量子现象,包括量子反常霍尔效应、轴子绝缘体态等.不同于磁性掺杂和异质结方案,内禀磁性拓扑绝缘体避免了掺杂带来的无序,且制备工艺通常比异质结更加简单,因此对研究和利用磁性拓扑绝缘体都有重要的意义.最近,EuIn_(2)As_(2)被认为是内禀反铁磁轴子绝缘体,本文使用低温扫描隧道显微镜研究了它的解理表面的原子排布和电子结构.结合原子分辨形貌图、晶格对称性分析以及局域态密度等信息,认为观测到的表面条纹结构来源于Eu截止面50%覆盖度的1×2表面重构.通过条纹面的局域态密度测量,发现4 K时费米能附近态密度存在非对称的谷-峰特征,该特征随温度升高逐渐变弱,在反铁磁相变温度以上完全消失,表明其与反铁磁序密切相关.此外,在某些台阶附近,伴随有少量迷宫状的结构,进一步分析认为可能是Eu原子形成的翘曲结构导致的.这些结果为理解EuIn_(2)As_(2)的表面能带结构和拓扑性质提供了重要信息.

Soliton dynamics in planar ferromagnets and anti-ferromagnets

The aim of this paper is to present a rigorous mathematical proof of the dynamical laws for the topological solitons( magnetic vortices) in ferromagnets and anti-ferromagnets. It is achieved through the conservation laws for the topological vorticity and the weak convergence methods.

反铁磁半金属EuCd_(2)Pn_(2)(Pn=As,Sb)中磁交换诱导的外尔态

由于丰富的拓扑量子效应及巨大的潜在应用价值,拓扑材料逐渐成为凝聚态物理前沿的研究材料体系。其中,作为与石墨烯具有相似电子结构的材料,三维拓扑半金属吸引了越来越多的研究兴趣。目前已知的拓扑半金属大多为非磁性的,而磁性拓扑半金属数量有限,与非磁性拓扑半金属相比较,研究开展的还比较少。磁性与拓扑之间的相互作用能够导致非常规的物理性质,如反常霍尔效应甚至量子反常霍尔效应等。此外,在一些具有特殊磁结构的拓扑半金属中,施加外磁场能够调制其自旋结构,从而影响其拓扑能带结构。在该综述中,笔者将详细介绍利用外磁场在EuCd_(2)Pn_(2)(Pn=As,Sb)反铁磁半金属材料中通过调制自旋结构从而改变晶体结构对称性来诱导拓扑相变。此外,笔者也将简单介绍包括GdPtBi和MnBi_(2)Te_(4)在内的几个相关材料。该综述中讨论的外磁场调控的磁交换诱导的拓扑相变不仅有望应用于拓扑器件,也有助于为理解磁性与拓扑态之间的紧密关联提供新的线索,对于设计新的磁性拓扑材料有启发意义。综述最后,笔者对发展磁性拓扑半金属做了一些简单展望。

拓扑增强的反常能斯特横向热电效应

磁性拓扑材料是拓扑物理与长程磁有序的统一,是一类新兴的先进磁性量子材料.体系中的时间反演对称破缺使得外尔费米子表现出强的贝利相位,有望产生拓扑增强的、零磁场的能斯特横向热电效应,为基于新原理下的全固态热电制冷带来了契机.

拓扑量子材料简介

近20年来,拓扑量子物态和材料已成为凝聚态物理领域最为重要、发展最快的前沿领域之一。文章简单回顾这一领域的研究进展,介绍包括拓扑材料体系、磁性拓扑材料、拓扑超导体及相关物理。这些材料涉及的研究范畴广泛,未来可能推动电子学、自旋电子学、光学等各个方向的基础研究和产业发展。

二维磁性材料的第一性原理计算

二维磁性材料具有低维体系独特的电子特性、丰富的可调控特性和优异的磁响应性质,在逻辑计算、信息存储等领域具有广阔的应用前景.自从实验上成功合成原子层厚度的具有本征磁性的二维层状材料CrGeTe3和CrI3以来,二维磁性材料得到了理论计算和实验上的广泛关注.第一性原理计算能够预言材料的结构和性质、辅助实验探索物理现象本质并可进一步设计具有优异性能的新材料.本文首先介绍了磁性材料的基础理论和第一性原理计算方法,接着结合四类典型的二维磁性材料介绍理论计算的研究进展,包括二维磁性绝缘体CrGeTe3和CrI3、二维磁性金属Fe3GeTe2、二维内禀磁性拓扑材料MnBi2Te4和二维高温量子反常霍尔绝缘体LiFeSe.最后对二维磁性材料的第一性原理研究的未来发展方向作了展望.