近日，南方科技大学量子科学与工程研究院研究员陈朝宇课题组、物理系副教授刘奇航课题组、刘畅课题组和赵悦课题组受邀在《国家科学评论》（National Science Review, IF:23.178）上联合发表了题为“On the topological surface states of the intrinsic magnetic topological insulator Mn-Bi-Te family”的综述文章。文章针对本征磁性拓扑绝缘体Mn-Bi-Te家族的拓扑表面态进行了系统性整理，包括能带结构、磁性重构、表面态再分布，以及对打开表面态磁性能隙的行为提出展望。

拓扑与磁性的第一次结合是整数量子霍尔效应，Von Klitzing因此研究获得了1985年的诺贝尔物理学奖。随着2013年量子反常霍尔效应在极低温物理环境中的实现，寻找可实现较高温量子反常霍尔效应的磁性拓扑绝缘体成为凝聚态物理研究的一个重要方向。

图1 本征磁性拓扑绝缘体中的一些拓扑特性

磁性拓扑绝缘体是一种全新的量子态，对于某些特定磁结构的拓扑绝缘体，它可以呈现量子反常霍尔效应、量子化磁光效应、拓扑磁电效应等新奇特性（图1）。2018年以来，科学家们首次发现了一种内禀的本征反铁磁拓扑绝缘体MnBi₂Te₄，有趣的是，这种层状二维材料呈现一个家族体系(MnBi₂Te₄)·(Bi₂Te₃)_n (n=0,1,2,3)。其中，由南科大物理系副教授刘畅、刘奇航和量子科学与工程研究院研究员陈朝宇团队联合研究发现MnBi₂Te₄中存在着无能隙的表面态，已发表在Physical Review X上 [Phys. Rev. X. 9, 041038 (2019)]。之后实验发现MnBi₄Te₇、MnBi₆Te₁₀ (n=1,2)中表面态能带均存在几乎无能隙的狄拉克锥，与理论预测的磁性会导致打开表面态能隙大相径庭。实验和理论的不相符吸引了众多科学家，利用多种理论和实验手段来研究解释此种现象。

图2 磁重构行为

图3 表面态再分布行为

陈朝宇研究员团队聚焦于(MnBi₂Te₄)·(Bi₂Te₃)_n (n=0,1,2,3)家族的电子结构，首先回顾了此体系材料的表面态无能隙行为，包括理论计算和实验观测，以及其磁结构的探索；继而介绍了与磁性相关的一些关键特性，包括量子反常霍尔效应、表面磁畴分布、能带结构体带劈裂等；在此基础上，文章讨论了表面态无能隙可能的几大原因，磁性重构（图2）（例如：磁畴边界效应、Mn_Bi反位缺陷等）、体态表面态杂化、表面态再分布（图3）、自体掺杂等；最后，文章介绍了在MnBi₈Te₁₃中实现的磁性打开的表面态能隙（图4）（该工作是迄今为止对磁性拓扑绝缘体中表面态能隙的磁性起源的首次直接确认，由陈朝宇研究员、刘畅副教授、刘奇航副教授和日本广岛同步辐射中心束线科学家Shiv Kumar团队联合发现，已发表在Physical Review X [Phys. Rev. X. 11, 011039(2021)]），并对基于表面态能隙打开的材料在高温下实现量子霍尔效应、量子磁电效应等做出展望。

图4 MnBi₈Te₁₃的拓扑表面态能隙打开

该综述文章第一作者为量子科学与工程研究院陈朝宇课题组博士生王渊。陈朝宇、刘奇航、刘畅、赵悦为本文通讯作者。南方科技大学量子科学与工程研究院和物理系为文章第一单位。该工作得到了国家自然科学基金、广东自然科学基金委、广东省创新创业团队、深圳科创委的支持。

原文链接：https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwad066/7074582

中国科学杂志社推文：https://mp.weixin.qq.com/s/FbSRJYJlHrg3P7W8PtGGHQ
                                     https://mp.weixin.qq.com/s/0x_9RDLx88Qxl_CEVftQnw