(MnBi2Te4)(Bi2Te3)m 族中磁拓扑相的变化外文翻译资料

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(MnBi₂Te₄)(Bi₂Te₃)_m 族中磁拓扑相的变化

I.I. Klimovskikh,^{1, lowast;} M.M. Otrokov,^{2,3, dagger;} D. Estyunin,¹ S.V. Eremeev,^4,5,1 S.O. Filnov,¹

A. Koroleva,¹ E. Shevchenko,¹ V. Voroshnin,⁶ I.P. Rusinov,^5,1 M. Blanco-Rey,^7,8 M. Hof铁磁ann,⁹

Z.S. Aliev,^10,11 M. B. Babanly,^12,13 I. R. Amiraslanov,^11,13 N.A. Abdullayev,¹¹ V.N. Zverev,¹⁴

A. Kimura,¹⁵ O.E.Tereshchenko,^16,17,1 K. A. Kokh,^18,17,1 L. Petaccia,¹⁹ G. Di Santo,¹⁹

1. Ernst,^9,20 P.M. Echenique,^8,7,2 N. T. Mamedov,¹¹ A.M. Shikin,¹ and E.V. Chulkov^{2,7,8,1, Dagger;}

1 Saint Petersburg State University, 198504 Saint Petersburg, Russia

²Centro de Facute;ısica de Materiales (C铁磁-MPC), Centro Mixto CSIC-UPV/EHU,

20018 Donostia-San Sebastiacute;an, Basque Country, Spain

³IKERBASQUE, Basque Foundation for Science, 48011 Bilbao, Spain

4 Institute of Strength Physics and Materials Science,

Russian Academy of Sciences, 634055 Tomsk, Russia

⁵Tomsk State University, 634050 Tomsk, Russia

6 Helmholtz-Zentrum Berlin fuuml;r Materialien und Energie,

Elektronenspeicherring BESSY II, Albert-Einstein-Strae 15, 12489 Berlin, Germany

⁷Departamento de Facute;ısica de Materiales UPV/EHU,

20080 Donostia-San Sebastiacute;an, Basque Country, Spain

⁸Donostia International Physics Center (DIPC),

20018 Donostia-San Sebastiacute;an, Basque Country, Spain

9 Institut fuuml;r Theoretische Physik, Johannes Kepler Universitauml;t, A 4040 Linz, Austria

¹⁰Azerbaijan State Oil and Industry University, AZ1010 Baku, Azerbaijan

¹¹Institute of Physics, National Academy of Sciences of Azerbaijan, AZ1143 Baku, Azerbaijan

¹² Institute of Catalysis and Inorganic Chemistry,

Azerbaijan National Academy of Science, AZ1143 Baku, Azerbaijan

¹³Baku State University, AZ1148 Baku, Azerbaijan

¹⁴ Institute of Solid State Physics RAS, Chernogolovka, Moscow district, Russia

¹⁵Department of Physical Sciences, Graduate School of Science,

Hiroshima University, 1-3-1 Kagamiyama, Higashi-Hiroshima 739-8526, Japan

¹⁶A.V. Rzhanov Institute of Semiconductor Physics, Novosibirsk, 630090 Russia

¹⁷Novosibirsk State University, Novosibirsk, 630090 Russia

¹⁸V.S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, Siberian Branch,

Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, 630090 Russian Federation

¹⁹Elettra Sincrotrone Trieste, Strada Statale 14 km 163.5, 34149，Trieste, Italy

²⁰Max-Planck-Institut fuuml;r Mikrostrukturphysik, Weinberg 2, D-06120 Halle, Germany

(日期: 2019年10月28日)

结合了非平庸拓扑性和磁性的物质的量子态引起了人们的广泛关注，特别是以量子反常霍尔效应和轴心绝缘相为特征的磁性拓扑绝缘体（MITs）。本征磁性拓扑绝缘体可能具有的许多新性质的实现，主要取决于我们构建和有效地调整其电磁结构的能力，。本文中，利用角分辨和自旋分辨光发射光谱以及第一性原理，我们报道了范德华化合物（MnBi2Te4）（Bi2Te3）m（m=0，hellip;，6）同系物系列中的一大类本征磁性拓扑绝缘体。这些材料的磁学、电学和拓扑性质在很大程度上取决于m值，因此具有很高的可调性。在MnBi2Te4（m=0）向MnBi4Te7（m=1）转变时，相邻Mn层间的反铁磁耦合会快速减弱，并在MnBi6Te10（m=2）中转变为铁磁耦合，并随m的进一步增加而消失。从而，在m=0、1和m=2时分别实现了反铁磁和铁磁拓扑绝缘态，而在mge;3时出现了一种新的迄今未知的拓扑非平庸相，在相应的临界温度以下，由MnBi2Te4结构块形成的非相互作用二维铁磁体的磁化强度沿第三方向无序。（MnBi2Te4）（Bi2Te3）m中本征磁性拓扑绝缘体相的变化，使得我们可以有效设计用于拓扑量子计算、反铁磁和二维自旋电子的范德华异质结构成为可能。

1. 导言

磁学和拓扑学可以在真实空间中共存，产生复杂的磁结构，如涡系或孤子，在互易动量空间中相遇，产生Weyl半金属或磁性拓扑绝缘体（MTI）相。在磁性拓拓扑绝缘体中，拓扑学和磁学之间的相互作用为实现奇异物理提供了特别丰富的空间。在磁临界温度以下，时间反演对称性破坏，在狄拉克费米子的线性色散中引入了一个质量项，从而为实现量子化反常霍尔（QAH）和磁电效应、轴子电动力学或马约拉纳费米子等现象提供了机会。这些不寻常的性质使得拓扑绝缘体在新型电子学、新兴的二维材料和反铁磁（反铁磁）自旋电子学中的应用极具吸引力。直到最近，拓扑绝缘体中的磁性都是通过磁性掺杂或邻近效应以及van der Waals（vdW）异质结构的构造实现的。随着理想配比vdW层状反铁磁体MnBi2Te4中反铁磁拓扑绝缘体相的发现，这种情况发生了巨大的变化，吸引了大量的研究，因为它有望实现高温量子反常霍尔效应和轴心绝缘体状态，Majorana铰链模式以及其他效应。

在这里，我们通过引入（MnBi2Te4）（Bi2Te3）m系列vdW材料来提出磁性拓扑绝缘体族，除了MnBi2Te4（m=0），它还包含六个拓扑非平庸的化合物，即MnBi4Te7（m=1）、MnBi6Te10（m=2）、MnBi8Te13（m=3），MnBi10Te16（m=4），MnBi12Te19（m=5）和MnBi14Te22（m=6）。随着m的增加，层间交换作用的强度逐渐降低，其特征由反铁磁（m=0,1）变为铁磁性（m=2）。然后，从m=3开始进入纯二维磁区。结合（MnBi2Te4）（Bi2Te3）m化合物的非平凡拓扑结构，这些磁态分别在m=0,1和m=2时产生a 铁磁和铁磁-TI相，而在mge;3时形成一个新的磁性拓扑绝缘相，其中在相应的临界温度下，MnBi2Te4构件的二维铁磁有序Mn层的磁化沿[0001]方向是无序的。这些化合物的拓扑非平凡性质通过ARPES测量得到证实，ARPES测量揭示了拓扑表面态（TSS）的存在，其色散强烈依赖于晶体表面的终止。这种不寻常的磁性使（MnBi2Te4）（Bi2Te3）m系列成为一个独特的可调谐平台，可用于创造各种奇异的物质状态，如本征轴子或量子反常霍尔效应绝缘材料、场致量子反常霍尔效应绝缘材料或手性拓扑超导体

1. 晶体结构与磁交叉

（MnBi2Te4）（Bi2Te3）m系列化合物中的第一个化合物是MnBi2Te4（m=0），这是先前研究过的第一个反铁磁拓扑绝缘体。该系统由七层（SL）块堆叠而成。每个SL是一个二维铁磁体，而相邻SLs之间的耦合是反铁磁性的。对于mge;1，（MnBi2Te4）（Bi2Te3）m族的成员由交替的七重（MnBi2Te4）和五重（Bi2Te3）层块组成，参见图1a。文献34首次报道了由此形成的MnBi4Te7和MnBi6Te10化合物的生长细节和晶体结构，其中分别揭示了m=1和m=2对应的-5-7-5-7和-5-5-7-5-5-7-块序列。

我们的MnBi4Te7、MnBi6Te10、MnBi8Te13、MnBi10Te16、MnBi12Te19和MnBi14Te22样品的x射线衍射图（如补充信息图S1所示）证实了它们的P3m1和R3m空间群。

在零磁场中测得的电阻率的温度依赖性表明了MnBi4Te7和MnBi6Te10的金属样行为，见图1b，e。在低温下，观察到两种化合物在12-13K左右的明确扭结。随着外部磁场的开启和增加，这些特征被掩盖，指向它们的磁场来源。然而，尽管由此确定的MnBi4Te7和MnBi6Te10的临界温度几乎相同时，这两种化合物的磁序是不同的，如SQUID磁力计所示。

MnBi4Te7在0.1T时测得的场冷（FC）和零场冷（ZFC）磁化率如图1c所示。高温顺磁行为在13K时出现明显的峰值，这是反铁磁有序的特征。用居里-韦斯定律拟合磁化率，得出居里温度（Theta;_CW）为13.2K。正号和相对较高的温度值（MnBi2Te424的c.f.3-6K）表明，尽管MnBi4Te7具有整体反铁磁行为，但仍存在强铁磁相互作用。MnBi4Te7的奈尔温度仅为13K，而MnBi2Te4的奈尔温度为25K，这表明由于相邻SLs之间插入了非磁性五偶层块（QL），层间反铁磁耦合的强度减弱。铁磁相互作用的开始还表现在低温下场冷和零场冷曲线的分离（自旋玻璃态转变）。

在不同温度下的M（H）曲线如图1d所示。略低于奈尔温度（10K）时，发生典型的反铁磁（H）行为，自旋翻转向上出现在0.2T处，后者远低于MnBi2Te4（3.5T）24。在很低的温度下，自旋翻转磁滞在0.1到0.3T的磁场区间内打开，T=2K。此外，在没有外加磁场的情况下，磁化强度不会降

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