2025年3月20日Phys. Rev. B发表的乔振华课题组研究：MnBi2Te4相关量子反常霍尔效应的从头算研究

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    2025 年 3 月 20 日，中国科学技术大学乔振华教授课题组的研究论文在 Phys. Rev. B 上在线发表。该论文题目为《Ab study on the Hall in the 》，第一作者是 Zeyu Li。

    近日，本征磁性拓扑绝缘体的成功合成。这为研究拓扑态与磁性的相互作用提供了理想平台。块体反铁磁材料是一种拓扑绝缘体，它受到子晶格转换与时间反演联合对称性的保护。当施加外磁场使块体层间耦合转变为铁磁性时，就可以实现 II 型磁性 Weyl 半金属态。范德华间隙键合使得易于剥离出具有奇-偶层数依赖特性的少层样品，这些样品展现出丰富的物理现象。偶数倍的样品，其顶层与底层的磁化方向呈反平行排列，所以能承载拓扑轴子态；奇数倍的样品，其顶层与底层磁化方向平行，就会产生量子反常霍尔态（QAH）。这些研究表明，磁构型与多样拓扑态密切相关。

    目前有很多实验在努力调控这种材料的磁相态。因为它的层间相互作用比较弱，所以除了 A 型反铁磁构型之外，还有可能实现其他特殊的磁构型。多项研究已经证明，通过外场调控的方法能够实现这类材料的制备，这为深入研究拓扑态与磁性的相互作用提供了可能。研究显示，具有补偿型反铁磁构型的薄膜可以实现量子反常霍尔效应（QAHE）。为了系统地研究其实现的条件与方案，需要以第一性原理计算为基础，对该材料体系进行具体的探索。

    在此研究里，作者对超出 A 型反铁磁构型的偶数层拓扑特性进行了系统探究。第一性原理计算显示，在最外层 Mn2+离子磁矩同向排列的补偿型反铁磁构型中，偶数层能够实现量子反常霍尔效应。例如对于六层体系，其非平庸拓扑能隙的范围是 7 到 15 meV。通过紧束缚模型来计算层分辨的 Chern 数。研究把该多层体系中 Chern 数的空间分布特征揭示了出来。施加适度静水压后，因为层间耦合增强了，所以非平庸拓扑能隙显著变大。进一步构建了 CrI3/异质结，从而证实了实现补偿型反铁磁构型是有可能的。这项研究表明，偶数层可以作为探索具有补偿型反铁磁序拓扑态的理想平台。

    图 1(a)展示的是具有 A 型反铁磁序的六层的侧视图；(b)呈现的是六层无 PT 对称补偿反铁磁序的示意图

   

    图 2 的(a-f)部分展示了在自旋 - 轨道耦合情形下，具有六种补偿反铁磁构型的六层的能带结构；图 2 的(g-l)部分呈现了在自旋 - 轨道耦合情况下，Γ点周围相应的放大轨道投影能带结构。

    图 3 中 m1 的磁构型的反常霍尔电导率、图 3 中 m2 的磁构型的反常霍尔电导率、图 3 中 m3 的磁构型的反常霍尔电导率、图 3 中 m4 的磁构型的反常霍尔电导率、图 3 中 m5 的磁构型的反常霍尔电导率以及图 3 中 m6 的磁构型的反常霍尔电导率

    图 4 包含有 m1、m2、m3、m4、m5 和 m6 这几种磁构型的六层结构。该六层结构具有层分辨 Chern 数 Cz(l)，同时还有其求和 Cint(l)。

   

    图 5(a) 中面内的晶格参数以及面外的晶格参数随压力而发生的变化；(b) 存在 m3、m4、m5、m6 这几种磁构型的六层所具有的体相带隙

    图 6(a)为/CrI3 异质结的侧视图；(b)展示了/CrI3 异质结的六种不同磁构型；(c)给出了对应于 A 型反铁磁构型的总能量ΔE

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