[论文解读] Prediction of Weyl semimetal, AFM topological insulator, nodal line semimetal, and Chern insulator phases in Bi2MnSe4

Sugata Chowdhury, Kevin F. Garrity+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 82被引用 29

一句话总结

本研究通过第一性原理计算预测了化学计量比磁性材料Bi2MnSe4中的多种拓扑物相。结果表明，体相铁磁Bi2MnSe4的拓扑行为取决于自旋取向，可表现为外尔半金属或节点线半金属；而层状反铁磁相则实现了一种类反铁磁拓扑绝缘体，具有稳健的表面态和半整数量子反常霍尔效应。Bi2MnSe4的薄膜可成为陈绝缘体，其能隙最大可达58 meV。

ABSTRACT

Three dimensional materials with strong spin-orbit coupling and magnetic interactions represent an opportunity to realize a variety of rare and potentially useful topological phases. In this work, we use first principles calculations to show that the recently synthesized material Bi2MnSe4 displays a combination of band inversion and magnetic interactions, leading to several topological phases. Bi2PbSe4, also studied, also displays band inversion and is a topological insulator. In bulk form, the ferromagnetic phase of Bi2MnSe4 is either a nodal line or Weyl semimetal, depending on the direction of the spins. When the spins are arranged in a layered antiferromagnetic configuration, the combination of time reversal plus a partial translation is a new symmetry, and the material instead becomes an antiferromagnetic topological insulator. However, the intrinsic TRS breaking at the surface of Bi2MnSe4 removes the typical Dirac cone feature, allowing the observation of the half-integer quantum anomalous Hall effect (AHC). Furthermore, we show that in thin film form, for some thicknesses, Bi2MnSe4 becomes a Chern insulator with a band gap of up to 58 meV. This combination of properties in a stoichiometric magnetic material makes Bi2MnSe4 an excellent candidate for displaying robust topological behavior.

研究动机与目标

• 探索强自旋-轨道耦合与磁相互作用在Bi2MnSe4中诱导的拓扑物相。
• 研究磁序（铁磁与反铁磁）如何影响其拓扑分类。
• 确定Bi2MnSe4表现出稳健拓扑表面态和量化输运现象的条件。
• 评估Bi2MnSe4作为实现薄膜中量子反常霍尔效应和陈绝缘体行为平台的潜力。
• 将Bi2MnSe4的电子结构与其同构相Bi2PbSe4进行比较，以分离Mn在诱导拓扑物相中的作用。

提出的方法

• 采用包含自旋-轨道耦合的密度泛函理论（DFT）计算Bi2MnSe4的电子能带结构。
• 通过能带反演和对称性指标分析，对不同磁态下的拓扑物相进行分类。
• 应用对称性分析，识别反铁磁相中时间反演对称性与部分平移对称性的联合作用。
• 计算表面态和自旋纹理，以探测狄拉克锥和异常霍尔效应的存在。
• 模拟不同厚度的Bi2MnSe4薄膜结构，评估能隙打开与陈数量化行为。
• 与Bi2PbSe4的结果进行对比，以分离Mn 3d电子对拓扑行为的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于自旋-轨道耦合与磁序的相互作用，Bi2MnSe4是否能实现多种拓扑物相？
• RQ2 磁结构（铁磁与层状反铁磁）如何影响Bi2MnSe4的拓扑分类？
• RQ3 反铁磁相中的表面态具有何种特性？其是否能支持半整数量子反常霍尔效应？
• RQ4 在何种条件下Bi2MnSe4薄膜会转变为陈绝缘体？其最大可实现的能隙是多少？
• RQ5 Bi2MnSe4中Mn的存在如何使其拓扑响应区别于非磁性材料Bi2PbSe4？

主要发现

• Bi2MnSe4的铁磁相根据自旋 quantization 轴的不同，被预测为外尔半金属或节点线半金属。
• 在层状反铁磁相中，时间反演对称性与部分晶格平移的结合导致形成具有保护性表面态的反铁磁拓扑绝缘体。
• 表面时间反演对称性的内在破缺使得半整数量子反常霍尔效应得以观测，这在传统拓扑绝缘体中并不存在。
• Bi2MnSe4薄膜在特定厚度下表现出最大达58 meV的能隙，表明其具有稳定陈绝缘体相，且具有量化霍尔电导率。
• Bi2PbSe4（非磁性类似物）也表现出能带反演，被预测为拓扑绝缘体，凸显了Mn在实现额外拓扑态中的关键作用。
• 该材料的化学计量比组成和稳健的磁序使其成为实验实现多种拓扑物相的有前途候选材料。