磁性异质结Bi2Te3/MnBi2Te4中拓扑量子态的电场与磁场调控

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磁性拓扑材料中磁有序与拓扑态的相互作用是凝聚态物理学中一个重要的研究课题,为探索奇异的拓扑量子现象提供了理想的平台。在这些拓扑现象中,量子反常霍尔(QAH)效应由于具有本征无耗散手性边缘态以及量子化的反常霍尔电导,成为当前凝聚态物理学最关注的课题之一。自1988年开始,就不断有理论物理学家提出各种方案来实现QAH效应。2013年,人们首次在磁性掺杂的拓扑绝缘体中通过实验观察到QAH效应,从而掀起了拓扑绝缘体中各种磁性掺杂研究的热潮。然而,磁性掺杂的不均匀性通常不利于形成长程磁有序,使得磁性掺杂系统中的QAH效应只能在超低温度下发生。与磁掺杂体系相比,本征磁性拓扑绝缘体更有利于形成长程磁有序,因为理论上可以实现高温QAH效应。最近,具有本征磁性的范德瓦尔斯(vd W)超晶格Mn Bi2Te4/(Bi2Te3)n(n=0,1,2,3,…)被证明具有丰富的拓扑态;尤其,人们在五层结构的Mn Bi2Te4中观测到了1.4 K零场QAH效应。此外,其它Mn-Bi-Te体系中拓扑相的实现目前也引起了广泛的兴趣。众所周知,施加电场或磁场不仅可以实现拓扑态的量子调控,还可以促进拓扑态在实验中的观察。因此,在外加电场或磁场的作用下,对Mn-Bi-Te体系的拓扑态进行理论研究是十分有必要的。本文基于第一性原理计算和紧束缚模型,对二维本征磁性vdW双层异质结Bi2Te3/MnBi2Te4中的自旋极化拓扑态进行了系统深入的研究,详细讨论了在外电场和磁场作用下拓扑态的演化行为。首先,我们计算发现,Bi2Te3/Mn Bi2Te4异质结间的电荷转移产生了较强的内建电场,进而Rashba自旋轨道耦合与内建电场的相互作用使得Bi2Te3/Mn Bi2Te4异质结是具有时间反演破缺的量子自旋霍尔(QSH)绝缘体,其量子化自旋霍尔电导与非零自旋陈数相关。在外加电场作用下(等效于调控层间距),这种时间反演对称破缺的QSH相具有高度可调的非平庸带隙:正向电场可以有效地增强层间杂化,从而增大非平庸带隙;反向电场可以有效地减弱层间杂化,则可以减小非平庸带隙。其次,我们基于最大局域Wannier函数的紧束缚模型,研究了外磁场下Bi2Te3/Mn Bi2Te4异质结中拓扑态的演化行为,发现随着磁场强度的增加,系统由时间反演对称破缺的QSH相转变为QAH相。最后,我们发现反向电场可以有效促进QAH相的实现,进而揭示了外磁场和电场作用下Bi2Te3/Mn Bi2Te4异质结中拓扑相的竞争关系。因此,我们的工作不仅发现了Bi2Te3/Mn Bi2Te4异质结中自旋极化拓扑态在电场和磁场作用下的高可调性,还将促进相关结果在自旋电子学和拓扑器件上的进一步应用。
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