近日，物理系副教授刘畅课题组、刘奇航课题组，与量子科学与工程研究院（下简称“量子研究院”）副研究员陈朝宇课题组联合研究，在磁性拓扑材料领域取得重要进展，相关研究成果发表在顶级物理期刊《物理评论X》(Physical Review X，IF:14.385) 上，并被顶级物理评论杂志《物理》 (Physics) 选为精选报道(Featured in Physics)。

       拓扑绝缘体是近年来凝聚态物理研究的热点材料。它具有绝缘的内部和导电的表面，在拓扑电子学、非线性光学和拓扑量子计算领域具有潜在的应用价值。在拓扑绝缘体中引入长程磁序后，理论上这些磁性拓扑绝缘体的特定表面将不再传导电子，而是表面能带形成能隙，表现出绝缘行为。

       具有某些特定自旋排列的反铁磁拓扑绝缘体在这个领域中特别重要，因为它可能同时呈现两种奇特现象：“量子反常霍尔效应”和“轴子绝缘态”，而特定表面的绝缘行为是实现后者的前提。但是，课题组通过实验发现，磁性拓扑绝缘体原本应该绝缘的表面实际上是导电的，其表面能带能隙为零。这种行为表明，自然界对磁性拓扑材料的处理比以前想象的要复杂得多，也有趣得多。

MnBi2Te4的无能隙狄拉克锥拓扑表面态及其稳定性。第一行：X型拓扑表面态（左）及其邻近能带的kz方向色散（右）；第二行：拓扑表面态的稳定性

       为了揭示这种奇特的现象，课题组使用一种名为角分辨光电子能谱的强大表面物理实验工具研究了反铁磁拓扑绝缘体MnBi2Te4。理论预测和此前的实验表明，这种最近合成的材料是第一个理想的反铁磁拓扑绝缘体，其天然解理面应该是绝缘的。但是，课题组通过研究数据表明，它的表面能带形成了一个完整的X形——这证明该表面以不寻常的，拓扑保护的方式导电。这个数据推翻了此前的实验结论，使磁性拓扑体系的研究迈入一个新的阶段。课题组指出，这种奇异的行为可能是由于表面磁性或结构重构引起的。文中的第一性原理计算揭示了支持这种不寻常导电状态的几种可能的表面磁性结构。

       这一研究结果为未来的反铁磁拓扑材料研究工作指明了方向。例如，未来的研究工作可以是找到一种克服这种表面重构的方法，从而获得轴子绝缘态，或者是利用这种重构来构建具有新颖输运行为的器件。

       此项成果于2019年11月21日在线发表于《物理评论X》，《物理》于同一天发表题为“磁性拓扑绝缘体的表面掠影”的评论文章。刘畅课题组南科大－哈工大联合培养博士研究生郝宇杰、刘奇航课题组2019届本科毕业生刘鹏飞、刘畅课题组2019届本科毕业生冯岳为本文共同第一作者。陈朝宇、刘奇航和刘畅为本文通讯作者。南方科技大学物理系与量子研究院为文章第一单位。本文由南科大物理系与量子研究院、日本广岛同步辐射光源实验室、加州大学洛杉矶分校物理系、南方科技大学-广东省计算科学与新材料设计重点实验室等单位合作完成。

       本课题的开展和完成得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省重点实验室、广东省创新创业团队、深圳市科创委、深圳市重点实验室等项目的支持。课题组特别感谢日本广岛同步辐射光源实验室的大力支持。

论文链接：

https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.9.041038

《物理》精选报道链接：

https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevX.9.041039