一天上线3篇Nature：鱼与熊掌如何兼得？

小奇

2019-12-23

前言：在材料中，当磁矩有序态存在时，与拓扑绝缘体有关的其他电子有序态通常很难形成。最近，Otrokov等人和Rienks等人在最新一期《Nature》各发表一篇研究论文，表明Mn-Bi-Te三元化合物同时具有这两种电子有序态。这种由磁性-拓扑非平凡区域交替形成的复杂层状结构导致磁有序和拓扑有序之间存在新奇的相互作用，这种相互作用可能存在实际用途。来自匹兹堡大学的Roger S. K. Mon和来自加州大学伯克利分校的Joel E. Moore对这2篇研究工作进行了评价和展望。

背景：磁序，我所欲也；拓扑序，亦我所欲也！

对电子有序态最早的描述之一是铁磁性——早在2000年前的希腊和中国，就有记载过天然矿物存在铁磁性的现象。在简单的铁磁体中，主要由电子自旋引起的微观磁矩在同一方向上排列，导致宏观磁矩的形成。而反铁磁性的概念——自旋在相反方向交替排列导致平均磁矩为0，直到20世纪30年代才形成。这两种磁序在理论上被看做破缺的时间反演对称性：当时间方向颠倒时，自旋模式发生变化。时间反演则通过逆转速度（类似于从结尾到开头播放电影）或逆转角动量方向（包括自旋）来实现。

然而，若要产生研究人员极感兴趣的拓扑绝缘体（表面导电且内部绝缘），时间反演对称性必须被维持住。拓扑绝缘体与普通绝缘体的区别在于，前者在时间反演对称性未破缺的情况下，表面不可能产生普通的绝缘态。因此，拓扑绝缘体成为产生马约拉纳零能模的理想平台，而后者是通过拓扑方法实现量子计算的基础。

成果简介

近期《Nature》发表的Otrokov等人和Rienks等人的论文证明，晶态材料Mn-Bi-Te化合物成功地将不太可能共存的磁序和拓扑序这两种性质集成：在冷却后，材料具有磁性，而且表现出某种拓扑绝缘行为。与表面导电的常规拓扑绝缘体相比，这种反铁磁性的拓扑绝缘体的表面可以是导电的，也可是绝缘的——取决于表面如何切过交替排列的两种自旋模式（图1）。

拓扑绝缘体上的新自旋

Mn-Bi-Te化合物可以看做磁性Mn-Te层和拓扑绝缘体Bi-Te层的交替堆积结构。类似的薄膜结构在今年早些时候已被报道——交替生长的单层碲化锰和碲化铋。而最近这两项工作表明，晶态Mn-Bi-Te化合物集成了两种最受关注的电子有序态——拓扑绝缘行为和单层磁性（例如CrI₃就是单层磁体）。

研究思路

Mn-Bi-Te化合物中反铁磁性的核心特征是其具有一种“改进版”的时间反演对称性。在反铁磁体中，与时间反演相关的自旋翻转会改变交替排列的两种自旋模式。然而，在自旋翻转存在下，若自旋模式周期性地移动一个晶胞单位，则最初的模式可保持不变。

基于以上分析，可考虑将这种反铁磁性添加到拓扑绝缘体。拓扑绝缘体的导电表面对外部/本征磁场均敏感，因为这些场会破坏时间反演对称性。随着反铁磁性模式暴露出的表面的不同，表面可能存在以下几种情况：与2D反铁磁体相似，表现为交替自旋模式；与2D铁磁体相似，表现为均匀自旋模式；更复杂的自旋构造。因此，表面的导电状态取决于其如何切割磁序。

反铁磁拓扑绝缘体：预测与实测

Otrokov等人结合各种实验表征，对Mn-Bi-Te做了数值模拟。基于实验结果，他们认为该材料同时具有反铁磁序和能带反转（导致电子能带的常规有序性被反转），这是拓扑绝缘体的特征。实验上，作者采用X射线磁圆二色谱来证明磁序。

此外，作者采用角分辨光电子能谱来研究材料表面的电子结构。实验发现，表面电子能带中的狄拉克锥在材料反铁磁转变温度附近及以下发生了变化。而狄拉克锥是拓扑绝缘体表面具有的显著特征，其消失显示表面从导电态变为绝缘态。

异质结中狄拉克点的磁隙

Rienks等人对不同Mn掺杂程度的Bi-Te化合物的原子和电子结构做了详细研究。实验发现，少量（~6%）掺杂导致了从拓扑绝缘体到铁磁体的转变（与Otrokov等人观察到的反铁磁体相反）。Rienks等人同时发现，Mn掺杂的Bi-Te化合物倾向于形成Te–Bi–Te–Mn–Te–Bi–Te七元层单位，这与MnBi₂Te₄结构相似，不同之处在于前者的七元层之间被标准的Te–Bi–Te–Bi–Te（Bi₂Te₃）五元层所隔开。此外，作者还研究了Mn掺杂的Bi-Se化合物。

相比Bi-Te体系中的Mn，Bi-Se中的Mn形成新层的能力较弱，这种差异导致磁性结构和表面电子态的不同。Te化物的表面电子能带之间存在能隙，磁化垂直于表面。相比之下，Se化物不存在这种能隙，磁化发生在面内。当温度高于磁性转变温度时，Te化物能隙消失。这种能隙与磁化之间的联系很难在其它材料和样品中观测到。

总结与展望

实现反铁磁拓扑绝缘体的一个显著要求是——表面是否有能隙（绝缘/导电）取决于3D晶体的表面如何终止。这种差异性可通过暴露其他类型表面，或通过STM观察表面台阶来观察。以上2篇研究论文中所观察到的磁与拓扑行为的结合可能导致新型自旋电子器件的诞生，因为从拓扑的角度也许可以促进材料传输自旋电流。当然，这与量子反常霍尔效应（QAHE）的潜在应用存在重叠（QAHE：通过在拓扑绝缘体薄膜中掺杂磁性杂质产生）。反铁磁拓扑绝缘体的表面台阶具有与QAHE同样完美的边缘传导通道。同时应看到，Mn-Bi-Te化合物表现为本征磁性，而不是因随机排列的杂质而产生磁序（例如QAHE），这点可能使其具有优势。

本期《Nature》的这两篇研究论文基于具有不同对称性的晶体，将其制备和理论研究相结合，揭示与证明了电子有序态的重要类型。未来需要探究的一个核心问题是这种体系的不同样品之间的磁性如何变化。特别是，磁性转变温度和面间磁序的性质似乎都可能改变，且外加磁场存在改变这种磁序的可能性。在更基础的层面上，根据预测，反铁磁拓扑绝缘体在无外加电磁场的情况下，具有量子化的电磁响应（也称轴子电动力学）。这些都为未来的研究提供了方向。

参考文献：

1.Roger S. K. Mong & Joel E. Moore. Nature 576, 390-392 (2019) doi: 10.1038/d41586-019-03831-7

https://www.nature.com/articles/d41586-019-03831-7

2.Otrokov, M.M., Klimovskikh, I.I., Bentmann, H. et al. Prediction andobservation of an antiferromagnetic topological insulator. Nature 576, 416–422(2019) doi:10.1038/s41586-019-1840-9

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1840-9

3.Rienks, E.D.L., Wimmer, S., Sánchez-Barriga, J. et al. Large magnetic gap atthe Dirac point in Bi2Te3/MnBi2Te4 heterostructures. Nature 576, 423–428 (2019)doi:10.1038/s41586-019-1826-7

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1826-7