[论文解读] Multiple magnetic topological phases in bulk van der Waals crystal MnSb4Te7

Shuchun Huan, Shihao Zhang+12 more|PubMed|Jan 25, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究识别出MnSb4Te7——一种范德华晶体——为一种多功能磁性拓扑材料，可表现出可调的拓扑相。通过结合磁输运、角分辨光电子能谱和第一性原理计算，研究证明该材料在反铁磁态下为Z₂反铁磁拓扑绝缘体，在铁磁态下转变为轴子绝缘体，且在载流子掺杂下进一步转变为外尔半金属，其显著的异常霍尔效应为这一转变提供了实验证据。

ABSTRACT

The magnetic van der Waals crystals MnBi_{2}Te_{4}/(Bi_{2}Te_{3})_{n} have drawn significant attention due to their rich topological properties and the tunability by external magnetic field. Although the MnBi_{2}Te_{4}/(Bi_{2}Te_{3})_{n} family have been intensively studied in the past few years, their close relatives, the MnSb_{2}Te_{4}/(Sb_{2}Te_{3})_{n} family, remain much less explored. In this work, combining magnetotransport measurements, angle-resolved photoemission spectroscopy, and first principles calculations, we find that MnSb_{4}Te_{7}, the n=1 member of the MnSb_{2}Te_{4}/(Sb_{2}Te_{3})_{n} family, is a magnetic topological system with versatile topological phases that can be manipulated by both carrier doping and magnetic field. Our calculations unveil that its A-type antiferromagnetic (AFM) ground state stays in a Z_{2} AFM topological insulator phase, which can be converted to an inversion-symmetry-protected axion insulator phase when in the ferromagnetic (FM) state. Moreover, when this system in the FM phase is slightly carrier doped on either the electron or hole side, it becomes a Weyl semimetal with multiple Weyl nodes in the highest valence bands and lowest conduction bands, which are manifested by the measured notable anomalous Hall effect. Our work thus introduces a new magnetic topological material with different topological phases that are highly tunable by carrier doping or magnetic field.

研究动机与目标

• 探索MnSb4Te7的拓扑性质，该材料属于MnSb2Te4/(Sb2Te3)n家族，相较于其MnBi2Te4类似物仍鲜为人知。
• 研究该范德华晶体中磁性、电子结构与拓扑之间的相互作用。
• 确定载流子掺杂和外加磁场是否可在MnSb4Te7中诱导出不同的拓扑相。
• 确立MnSb4Te7作为可调拓扑量子现象平台的地位。

提出的方法

• 开展磁输运测量，以探测外加磁场下异常霍尔效应和电子响应。
• 进行角分辨光电子能谱（ARPES）实验，直接绘制电子能带结构并识别外尔节点。
• 执行第一性原理计算，预测不同磁性状态下系统的拓扑不变量和相变行为。
• 分析铁磁态下轴子绝缘体相的对称性保护特性。
• 比较A型反铁磁基态与铁磁态及掺杂态的电子结构。
• 利用对称性和能带拓扑分析，对系统中的Z₂不变量和轴子耦合进行分类。

实验结果

研究问题

• RQ1 MnSb4Te7是否能容纳多种由外部参数调控的拓扑相？
• RQ2 MnSb4Te7中A型反铁磁基态的拓扑性质是什么？
• RQ3 该系统如何从Z₂拓扑绝缘体转变为铁磁态下的轴子绝缘体？
• RQ4 在铁磁态下进行载流子掺杂后，会形成何种拓扑相，其检测方法是什么？
• RQ5 异常霍尔效应能否作为该体系中外尔半金属行为的特征信号？

主要发现

• 第一性原理计算证实，MnSb4Te7的A型反铁磁基态为Z₂拓扑绝缘体。
• 进入铁磁态后，系统转变为具有非平庸拓扑响应的反演对称性保护轴子绝缘体。
• 在铁磁相中施加轻微电子或空穴掺杂，可在价带和导带中诱导出具有多个外尔节点的外尔半金属相。
• 磁输运测量中观测到的大而稳定的异常霍尔效应，实验证实了多个外尔节点的存在。
• 通过载流子掺杂和外加磁场可实现对拓扑相变的调控，从而实现对系统拓扑性质的动态控制。
• 确立MnSb4Te7为一种新型多功能磁性拓扑材料平台，具有丰富且可切换的拓扑相。