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徐刚教授团队在磁性脆拓扑物态研究上取得重要进展

发布日期:2022-02-17    作者:     来源:     点击:

(通讯员 罗爱云)2月2日,《npj计算材料学》(npj Computational Materials,影响因子12.24)在线刊发了国家脉冲强磁场科学中心徐刚教授团队题为《单层棋盘状反铁磁FeSe中的脆拓扑能带》(Fragile topological band in the checkerboard antiferromagnetic monolayer FeSe)的论文。中心博士生罗爱云为论文第一作者,徐刚教授为论文通讯作者,普林斯顿大学宋志达博士参与合作。

脆拓扑既不像强拓扑绝缘体一样在表面有稳定的拓扑边界态,又不像普通绝缘体那样平庸,而是一类界于普通绝缘体和拓扑绝缘体之间的特殊物态。虽然脆拓扑材料不存在类似于强拓扑体系的体边界对应关系,但却因其对磁场和无序的奇特响应而引起了广泛的关注。例如,有理论指出超导相的脆拓扑平带将对提高超导转变温度有着重要贡献。目前,对于脆拓扑性质的研究大多局限在理论模型,已报道的脆拓扑电子体系只有双层转角石墨烯。因此,寻找天然的具有脆拓扑性质的材料,对脆拓扑体系做更多的分类是非常迫切的。

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图中,(a)单层棋盘状反铁磁FeSe的晶体结构;(b)无自旋轨道耦合的自旋极化能带;(c)有自旋轨道耦合的能带;(d)脆拓扑平带的Wilson Loop谱;(e)拓扑角态的实空间分布;(f)有Sz(红色)和无Sz(蓝色)对称性的边界态。

该研究中,徐刚教授团队采用第一性原理计算和磁性拓扑量子化学分析相结合的方法,详细研究了单层棋盘状反铁磁FeSe的电子结构(图a),发现其费米能级之下存在一条双重简并的磁性脆拓扑平带。研究团队首先计算了无自旋轨道耦合的单层反铁磁FeSe的电子结构(图b),发现上下自旋电子能带之间的杂化非常弱。此时该体系是一个半金属——在M点存在一个抛物线型的4度简并点。考虑自旋轨道耦合后,该4度简并点将打开能隙,并且在费米能级以下形成一条孤立的磁性脆拓扑平带(图c)。通过设计正方形的Wilson Loop(图d),研究团队找到了保护这一磁性脆拓扑平带的对称性S4z。单层反铁磁FeSe也是首次报道的S4z保护的脆拓扑材料。此外,研究团队还发现该脆拓扑能带可以诱导得到二维二阶拓扑绝缘相,这种绝缘相可以在样品的角上存在拓扑电荷为e/2的束缚态(图e)。这一结论与之前STM实验在单层FeSe中观测到的束缚态相一致,进一步验证了理论的正确性。最后,研究团队发现单层反铁磁FeSe近似地拥有自旋守恒对称性Sz——这种近似来源于上下自旋电子能带之间近乎为零的杂化效应(图b)。当恢复Sz对称性时,该体系由脆拓扑转变为二维反铁磁拓扑绝缘体(图f),这些结果很好地解释了先前实验在单层FeSe中观测到的“拓扑边界态”。考虑到单层无磁FeSe也是高温超导体,该体系不仅为探索磁性脆拓扑的新奇特性提供了一个新的材料平台,也为研究单层FeSe的超导特性及其与脆拓扑之间的相互影响提供了新的思路。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41524-022-00707-9