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磁性掺杂拓扑绝缘体Bi2Se3的理论研究（图文详解）

发布时间：2020-07-06 作者：wyf 分享到：

磁性掺杂拓扑绝缘体Bi2Se3的理论研究（图文详解）

磁性拓扑绝缘体介绍：

磁性拓扑绝缘体是一种特殊类型的拓扑绝缘体，其独特之处在于同时具有拓扑性质和磁性。它们具有独特的电子结构，表现出与传统拓扑绝缘体不同的物理性质和潜在应用。这种材料在能带结构中同时存在拓扑性质和磁性，这使其在理论上和实验上都具有**的研究价值。

传统的拓扑绝缘体是指在其能带结构中存在拓扑不变量，导致其边界态具有非平凡的拓扑保护性质。然而，这种保护性质在磁性材料中会受到破坏，因为磁性会导致自旋自由度的耦合，进而影响能带结构。因此，实现磁性拓扑绝缘体的关键在于如何创造一种能在自旋自由度上产生磁性的材料，同时保持其拓扑性质。

清华大学物理系教授、系主任王亚愚以《当拓扑遇到磁性》为题，为我们介绍了这种材料的特殊性质以及科学家们在该领域所取得的进展。他指出，磁性拓扑绝缘体是实现量子反常霍尔效应的关键因素之一，通过创造更加新奇的量子态，利用它的独特性质可以研制磁性材料、自旋材料等特殊材料。

此外，这种材料在实验上一直未能获得，主要原因在于寻找理想的磁性拓扑绝缘体非常困难。理想材料应当是内禀的，即具有确定化学计量比，磁性元素有序排列，居里温度之上是拓扑绝缘体，居里温度之下具有长程铁磁序。尽管之前有一些理论探索，但直到现在仍未能在实验上获得这种理想的材料。

我们进行系统地研究了Bi2Se3中的3d过渡金属磁性原子（V, Cr, Mn 和Fe）掺杂，包括掺杂体系的材料稳定性、电子结构特性以及磁学性质等。

(a) 2×2×1 Bi2Se3超胞原子掺杂结构示意图。

(b) V, Cr, Mn 和Fe掺杂Bi2Se3体系较定价态的形成能随制备环境(硒化学势)的变化。为比较，虚线给出了Bi2Se3中较可能存在的本征缺陷（硒空位VSe1、BiSe1和SeBi反位）的数值。

V, Cr, Mn 和Fe掺杂Bi2Se3时不同稳定价态的形成能随体系费米能级的变化。

(a)和(b)分别表示富铋生长和富硒生长两种不同的制备条件。

2×2×1 Bi2Se3超胞(a)考虑自旋轨道耦合下的能带图及其(b)布里渊区和高对称点。(c)-(j) Cr和Fe掺杂Bi2Se3体系不同条件下的能带结构。

拓扑绝缘体的特性有哪些？

拓扑绝缘体是一种特殊的量子态，其内部表现为电绝缘体，而其表面表现为电导体。这意味着电子只能沿着材料的表面移动。以下是拓扑绝缘体的主要特性：

拓扑序：拓扑绝缘体在体带能隙中具有螺旋形无能系边缘态或表面态。这些量子态在时间反演不变的微扰下具有鲁棒性，例如格点形变和非磁性杂质。
电子能带结构：拓扑绝缘体的电子能带结构和常规的绝缘体相似，其费米能级位于导带和价带之间。
表面态：在拓扑绝缘体的表面存在一些特殊的量子态，这些量子态位于块体能带结构的带隙之中，从而允许导电。这些量子态可以用类似拓扑学中的亏格的整数表征，是拓扑序的一个特例。
鲁棒性：由于时间反演对称性的存在，拓扑绝缘体表面的量子态具有鲁棒性，即不受局部微扰的影响。这是拓扑绝缘体的一个重要特性。
无能系边缘态：拓扑绝缘体在体带能隙中具有螺旋形无能系边缘态，这些边缘态是拓扑保护的，不受时间反演对称性的微扰影响。
维度和对称性：由于维度和对称性的某些组合，所有拓扑绝缘体都至少具有粒子数守恒的U(1)对称性，并且通常由于没有磁场而具有时间反转对称性。
拓扑不变量：拓扑绝缘体的一个重要特性是它们可以用拓扑不变量来分类。这些不变量是在Z2或Z中取值的整数，可以用来描述绝缘体的拓扑性质。
表面态的金属性：在某些特定条件下，时间反转对称3D拓扑绝缘体的表面态的自旋锁定在与其动量成直角的位置（自旋动量锁定）。在这种情况下，表面态具有高度金属性。
类似物：虽然拓扑绝缘体在理论上很早就被预测和描述，但直到最近几年才在实验上被观测到。此外，还存在光子、磁和声学拓扑绝缘体等类似物，这些类似物在理论和实验上都具有研究价值。