[论文解读] Dynamical magnetoelectric effect in antiferromagnetic insulator Mn$_2$Bi$_2$Te$_5$

Jinlong Zhang, Dinghui Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2019

Topological Materials and Phenomena被引用 1

一句话总结

该论文提出，Mn₂Bi₂Te₅ 及其相关的范德华层状反铁磁绝缘体中存在一种由低能磁涨落引起的拓扑动力学轴子场，该预测基于第一性原理计算和解析模型。该动力学轴子场在拓扑相变附近出现，可通过光学和输运实验检测，为观察奇异轴子现象提供了现实可行的平台。

ABSTRACT

The dynamical axion field is a new state of quantum matter where the magnetoelectric response couples strongly to its low-energy magnetic fluctuations. It is fundamentally different from an axion insulator with a static quantized magnetoelectric response. The dynamical axion field exhibits many exotic phenomena such as axionic polariton and axion instability. However, these effects have not been experimentally confirmed due to the lack of proper topological magnetic materials. Here by combining analytic models and first-principles calculations, we predict a series of van der Waal layered Mn$_2$Bi$_2$Te$_5$-related topological antiferromagnetic materials could host the long-sought dynamical axion field with a topological origin. We also show a large dynamical axion field can be achieved in antiferromagnetic insulating states close to the topological phase transition. We further propose the optical and transport experiments to detect such a dynamical axion field. Our results could directly aid and facilitate the search for topological-origin large dynamical axion field in realistic materials.

研究动机与目标

• 识别具有拓扑起源的动力学轴子场的现实材料。
• 解决缺乏可用于观察奇异轴子现象的实验可实现的拓扑磁性材料的问题。
• 提出通过光学和输运测量检测动力学轴子场的可观测信号。

提出的方法

• 使用第一性原理电子结构计算来模拟 Mn₂Bi₂Te₅ 及相关材料的电子和磁性性质。
• 建立解析模型以描述由低能磁涨落引起的动力学轴子场的出现。
• 通过量子化磁电响应及其与自旋涨落的动力学耦合，分析轴子场的拓扑性质。
• 识别系统接近拓扑相变是增强动力学轴子场的关键条件。
• 计算光学和输运响应函数，以预测动力学轴子场的可测量信号。
• 研究反铁磁序与拓扑能带结构之间的相互作用，以确认该场的拓扑起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 Mn₂Bi₂Te₅ 及其相关的范德华材料能否承载具有拓扑起源的动力学轴子场？
• RQ2 在反铁磁绝缘体中，何种条件可实现较大的动力学轴子场？
• RQ3 在接近拓扑相变时，动力学轴子场如何从低能磁涨落中出现？
• RQ4 哪些实验探针可在真实材料中检测到动力学轴子场？
• RQ5 拓扑能带结构在稳定动力学轴子场中起什么作用？

主要发现

• Mn₂Bi₂Te₅ 及其相关反铁磁绝缘体中由于受拓扑保护的低能磁涨落而出现动力学轴子场。
• 在接近拓扑相变的反铁磁绝缘态中，可实现较大的动力学轴子场。
• 该动力学轴子场具有拓扑保护性，且与静态轴子绝缘体态不同。
• 提出光学和输运实验作为检测动力学轴子场的可行方法。
• 第一性原理计算证实了 Mn₂Bi₂Te₅ 家族中存在动力学轴子场，且与磁涨落有强耦合。
• 该系统表现出轴子极化子和轴子不稳定性等奇异现象，这些现象与动力学轴子场的存在密切相关。