南方科技大学刘奇航团队Nano Lett. | 反铁磁中的陈绝缘体
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以下文章来源于ACS材料X ，作者ACS Publications
探索科学，前瞻未来
英文原题： Chern-Insulator Phase in Antiferromagnets
通讯作者： 刘奇航（南方科技大学物理系）
作者： Yuntian Liu (刘云天), Jiayu Li (李嘉裕)
背景介绍
具有量子反常霍尔效应的陈绝缘体因其能带拓扑产生了无耗散边缘态，为超低功耗电子器件提供了潜力。目前，量子反常霍尔效应已在几种具有长程铁磁有序的系统中实现，例如使用磁掺杂的拓扑绝缘体、本征磁性拓扑材料和具有轨道铁磁性的扭转双层石墨烯等。然而，由于铁磁绝缘体稀缺且居里温度相对较低，寻找量子反常霍尔效应的理想材料平台仍然是一个长久的挑战。另一方面，反铁磁绝缘体在器件应用中具有一系列优势，包括更高的转变温度、对干扰磁场不敏感、零杂散场、高切换速度等。近期的反铁磁自旋电子学研究中发现了许多曾被认为仅存在于铁磁体中的现象，比如自旋劈裂、反常霍尔效应和外尔半金属相等。因此，是否能在反铁磁体中实现量子反常霍尔效应是一个令人期待的未解问题。
图1. 对称性连接反铁磁子晶格及倒空间贝里曲率
文章亮点
近日， 南方科技大学刘奇航副教授 在 Nano Letters 上发表了反铁磁陈绝缘体的研究。通过结合对称性分析和第一原理计算，研究者们理论上预测了反铁磁中实现陈绝缘体的可能性，其中磁性子晶格具有特定对称性连接以确保净磁矩严格补偿。这里，研究者们将寻找反铁磁陈绝缘体作为一个材料设计问题，并提供了对称性设计原则以及相应的材料候选。
对称性分析揭示了反铁磁陈绝缘体的两个关键设计原则：（1）体系的磁对称性属于表1所列的磁层点群；（2）所有磁矩都沿面内方向。基于上述设计原则，研究者们给出了两种具有不同类型磁结构的材料实例，分别是具有共线磁构型的单层RbCr 4 S 8 和具有共面非共线磁构型的双层Mn 3 Sn（如图2）。通过第一性原理计算，这两种材料都具有较大的陈数（单层RbCr 4 S 8 的陈数为2，双层Mn 3 Sn的陈数为3），并且在倒空间中具有多个同向的贝里曲率峰。此外，研究者们揭示了面外方向的小角度铁磁倾斜可用于操纵反铁磁陈绝缘体中陈数的符号，并结合紧束缚模型给出了共线磁结构中陈数随磁矩倾斜角度变化的相图。
表1. 允许非零陈数和反铁磁的磁层点群
图2. 共线反铁磁单层RbCr 4 S 8 和非共线反铁磁双层Mn 3 Sn的晶格结构和边缘态
总结/展望
研究团队阐明了在具有对称性连接磁性子晶格的反铁磁系统中实现陈绝缘体的可行性，为高效材料筛选提供了全面的对称性设计原则，并预测了两种分别具有共线和非共线反铁磁序的材料示例。反铁磁陈绝缘体相比传统的铁磁型具有高开关速度、大陈数、陈数可调等多种优势，为量子反常霍尔效应领域开辟了一条新途径。
相关论文发表在 Nano Letters 上，南方科技大学博士研究生刘云天为文章的第一作者，刘奇航副教授为通讯作者。
通讯作者信息：
刘奇航 南方科技大学
刘奇航，南方科技大学副教授，本科及博士均毕业于北京大学物理学院（2003-2012），曾任美国西北大学博士后、美国科罗拉多大学博尔德分校助理研究员；主要从事计算凝聚态物理研究，研究兴趣聚焦于量子材料中新奇的多自由度耦合现象，包括自旋-局域磁矩-轨道耦合作用下的对称性新理论和新效应，以及相关的新材料设计筛选。发表SCI论文80余篇，H指数35。2018年作为独立PI后发表通讯作者文章30余篇，包括11篇PRL/X、4篇 Nat. Commun. 、3篇 Natl. Sci. Rev. 等。2020年作为项目负责人获批国家重点研发计划“量子调控与量子信息”重点专项（青年项目），2022年获批深圳市杰青项目，2021与2022年连续入选斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家榜单（World’s Top 2% Scientists）。
主页：
https://liuqh.phy.sustech.edu.cn/
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Nano Lett. 2023, 23, 8650-8656
Publication Date: September 13, 2023
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c02489
Copyright © 2023 American Chemical Society