物理学院王锐教授课题组在磁性二维高阶拓扑绝缘体 研究方面取得进展

近日，重庆大学物理学院王锐教授课题组在反铁磁高阶拓扑物态研究中取得重要进展。相关研究成果以“Design of Antiferromagnetic Second-Order Band Topology with Rotation Topological Invariants in Two Dimensions” 为题发表于国际著名学术刊物《Nano Letters》上（Nano Letters, DOI：10.1021/acs.nanolett.4c01817）。物理学院博士生詹方洋为该论文的第一作者，王锐教授和弘深青年教师马大帅博士为该论文的通讯作者，物理学院周小元教授、许东辉教授、博士生秦政参与了该工作，重庆大学为唯一作者单位。

高阶拓扑绝缘体的研究进展极大地丰富了拓扑材料的体边对应关系。到目前为止，二维二阶拓扑绝缘体虽然已经被提出很长时间，但实验观测都只限于人工晶体系统，如电路系统、声学系统、光学系统和弹性波系统等。尽管二维实际材料系统中的二阶拓扑绝缘体在理论预测方面研究进展迅速，但至今仍未在材料领域相关的实验中观测到，这为进一步探讨高阶拓扑物理及其应用研究带来了巨大的挑战。

图1：最小晶格模型预测。(a)双层三角晶格的耦合机制、(b)一维纳米带能带结构和(c)三角纳米盘的能量本征谱。

鉴于反铁磁交换场下高阶拓扑物态研究仍处于初期阶段，深入探索更多高阶拓扑绝缘体的形成机制以及确定更多易于实验观测的现实材料显得至关重要。针对该问题，论文作者提出了一种反铁磁交换相互作用驱动高阶拓扑绝缘体形成的新机制[图1(a)]。最小晶格模型揭示了层间反铁磁和内禀自旋轨道耦合的相互作用是实现二阶拓扑物态的关键，并产生拓扑保护的角态[图1(b)和(c)]。第一性原理计算证实了反铁磁MnBi₂Te₄薄膜材料体系是实现该类二阶拓扑物态的理想候选材料（图2）。通过对称性分析发下，这类拓扑角态受C₃旋转对称性保护，具有量子化的分数角电荷。此外，这类高阶拓扑现象可以推广到实验上已经成熟制备的(MnBi₂Te₄)(Bi₂Te₃)_m超晶格薄膜中（图3）。因此，该研究工作为研究二维反铁磁二阶拓扑绝缘体以及实验探测提供了理想的平台。

图2：第一性原理计算材料候选。(a)双层 MnBi₂Te₄晶体和磁结构、(b)一维纳米带能带结构和(c)三角纳米盘的能量本征谱。

图3：二阶拓扑态在反铁磁(MnBi₂Te₄)(Bi₂Te₃)_m薄膜材料体系的推广。

相关文章链接为: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01817。该工作得到了国家自然科学基金、重庆市自然科学基金以及博士后创新人才支持计划等项目的支持。