前言：在材料中，當磁矩有序態存在時，與拓撲絕緣體有關的其他電子有序態通常很難形成。最近，Otrokov等人和Rienks等人在最新一期《Nature》各發表一篇研究論文，表明Mn-Bi-Te三元化合物同時具有這兩種電子有序態。這種由磁性-拓撲非平凡區域交替形成的復雜層狀結構導致磁有序和拓撲有序之間存在新奇的相互作用，這種相互作用可能存在實際用途。來自匹茲堡大學的Roger S. K. Mon和來自加州大學伯克利分校的Joel E. Moore對這2篇研究工作進行了評價和展望。
背景：磁序，我所欲也；拓撲序，亦我所欲也！
對電子有序態最早的描述之一是鐵磁性——早在2000年前的希臘和中國，就有記載過天然礦物存在鐵磁性的現象。在簡單的鐵磁體中，主要由電子自旋引起的微觀磁矩在同一方向上排列，導致宏觀磁矩的形成。而反鐵磁性的概念——自旋在相反方向交替排列導致平均磁矩為0，直到20世紀30年代才形成。這兩種磁序在理論上被看做破缺的時間反演對稱性：當時間方向顛倒時，自旋模式發生變化。時間反演則通過逆轉速度（類似于從結尾到開頭播放電影）或逆轉角動量方向（包括自旋）來實現。
然而，若要產生研究人員極感興趣的拓撲絕緣體（表面導電且內部絕緣），時間反演對稱性必須被維持住。拓撲絕緣體與普通絕緣體的區別在于，前者在時間反演對稱性未破缺的情況下，表面不可能產生普通的絕緣態。因此，拓撲絕緣體成為產生馬約拉納零能模的理想平臺，而后者是通過拓撲方法實現量子計算的基礎。
成果簡介
近期《Nature》發表的Otrokov等人和Rienks等人的論文證明，晶態材料Mn-Bi-Te化合物成功地將不太可能共存的磁序和拓撲序這兩種性質集成：在冷卻后，材料具有磁性，而且表現出某種拓撲絕緣行為。與表面導電的常規拓撲絕緣體相比，這種反鐵磁性的拓撲絕緣體的表面可以是導電的，也可是絕緣的——取決于表面如何切過交替排列的兩種自旋模式（圖1）。
拓撲絕緣體上的新自旋
Mn-Bi-Te化合物可以看做磁性Mn-Te層和拓撲絕緣體Bi-Te層的交替堆積結構。類似的薄膜結構在今年早些時候已被報道——交替生長的單層碲化錳和碲化鉍。而最近這兩項工作表明，晶態Mn-Bi-Te化合物集成了兩種最受關注的電子有序態——拓撲絕緣行為和單層磁性（例如CrI3就是單層磁體）。
研究思路
Mn-Bi-Te化合物中反鐵磁性的核心特征是其具有一種“改進版”的時間反演對稱性。在反鐵磁體中，與時間反演相關的自旋翻轉會改變交替排列的兩種自旋模式。然而，在自旋翻轉存在下，若自旋模式周期性地移動一個晶胞單位，則最初的模式可保持不變。
基于以上分析，可考慮將這種反鐵磁性添加到拓撲絕緣體。拓撲絕緣體的導電表面對外部/本征磁場均敏感，因為這些場會破壞時間反演對稱性。隨著反鐵磁性模式暴露出的表面的不同，表面可能存在以下幾種情況：與2D反鐵磁體相似，表現為交替自旋模式；與2D鐵磁體相似，表現為均勻自旋模式；更復雜的自旋構造。因此，表面的導電狀態取決于其如何切割磁序。
反鐵磁拓撲絕緣體：預測與實測
Otrokov等人結合各種實驗表征，對Mn-Bi-Te做了數值模擬。基于實驗結果，他們認為該材料同時具有反鐵磁序和能帶反轉（導致電子能帶的常規有序性被反轉），這是拓撲絕緣體的特征。實驗上，作者采用X射線磁圓二色譜來證明磁序。
此外，作者采用角分辨光電子能譜來研究材料表面的電子結構。實驗發現，表面電子能帶中的狄拉克錐在材料反鐵磁轉變溫度附近及以下發生了變化。而狄拉克錐是拓撲絕緣體表面具有的顯著特征，其消失顯示表面從導電態變為絕緣態。
異質結中狄拉克點的磁隙
Rienks等人對不同Mn摻雜程度的Bi-Te化合物的原子和電子結構做了詳細研究。實驗發現，少量（~6%）摻雜導致了從拓撲絕緣體到鐵磁體的轉變（與Otrokov等人觀察到的反鐵磁體相反）。Rienks等人同時發現，Mn摻雜的Bi-Te化合物傾向于形成Te–Bi–Te–Mn–Te–Bi–Te七元層單位，這與MnBi2Te4結構相似，不同之處在于前者的七元層之間被標準的Te–Bi–Te–Bi–Te（Bi2Te3）五元層所隔開。此外，作者還研究了Mn摻雜的Bi-Se化合物。
相比Bi-Te體系中的Mn，Bi-Se中的Mn形成新層的能力較弱，這種差異導致磁性結構和表面電子態的不同。Te化物的表面電子能帶之間存在能隙，磁化垂直于表面。相比之下，Se化物不存在這種能隙，磁化發生在面內。當溫度高于磁性轉變溫度時，Te化物能隙消失。這種能隙與磁化之間的聯系很難在其它材料和樣品中觀測到。
總結與展望
實現反鐵磁拓撲絕緣體的一個顯著要求是——表面是否有能隙（絕緣/導電）取決于3D晶體的表面如何終止。這種差異性可通過暴露其他類型表面，或通過STM觀察表面臺階來觀察。以上2篇研究論文中所觀察到的磁與拓撲行為的結合可能導致新型自旋電子器件的誕生，因為從拓撲的角度也許可以促進材料傳輸自旋電流。當然，這與量子反常霍爾效應（QAHE）的潛在應用存在重疊（QAHE：通過在拓撲絕緣體薄膜中摻雜磁性雜質產生）。反鐵磁拓撲絕緣體的表面臺階具有與QAHE同樣完美的邊緣傳導通道。同時應看到，Mn-Bi-Te化合物表現為本征磁性，而不是因隨機排列的雜質而產生磁序（例如QAHE），這點可能使其具有優勢。
本期《Nature》的這兩篇研究論文基于具有不同對稱性的晶體，將其制備和理論研究相結合，揭示與證明了電子有序態的重要類型。未來需要探究的一個核心問題是這種體系的不同樣品之間的磁性如何變化。特別是，磁性轉變溫度和面間磁序的性質似乎都可能改變，且外加磁場存在改變這種磁序的可能性。在更基礎的層面上，根據預測，反鐵磁拓撲絕緣體在無外加電磁場的情況下，具有量子化的電磁響應（也稱軸子電動力學）。這些都為未來的研究提供了方向。
參考文獻：
1.Roger S. K. Mong & Joel E. Moore. Nature 576, 390-392 (2019) doi: 10.1038/d41586-019-03831-7
https://www.nature.com/articles/d41586-019-03831-7
2.Otrokov, M.M., Klimovskikh, I.I., Bentmann, H. et al. Prediction andobservation of an antiferromagnetic topological insulator. Nature 576, 416–422(2019) doi:10.1038/s41586-019-1840-9
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3.Rienks, E.D.L., Wimmer, S., Sánchez-Barriga, J. et al. Large magnetic gap atthe Dirac point in Bi2Te3/MnBi2Te4 heterostructures. Nature 576, 423–428 (2019)doi:10.1038/s41586-019-1826-7
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