原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 11 June 2020; 

online 18 June 2020

首次在理论上预言了一类全新内禀磁性的拓扑反铁磁绝缘体Mn2Bi2Te5。Mn2Bi2Te5中，能带拓扑和反铁磁序共存，反铁磁涨落与电磁场耦合诱导强动力学轴子场，是研究动力学轴子场及其新奇物理效应的首个凝聚态体系平台。

拓扑绝缘体具有线性的拓扑磁电效应，其电磁响应有效的相互作用量为传统的麦克斯韦作用量加上一个拓扑项S_θ=(θ/2π)(e²/h)∫d³rdtE⋅B。时间反演对称性使得磁电耦合系数θ仅有两个分立取值，其中θ=π描述拓扑绝缘体，θ=0描述普通绝缘体。对于一个均匀的绝缘体，θ是一个与时间和空间无关的常数。在绝缘体中引入时间反演对称性破缺的反铁磁长程序，反铁磁涨落进一步导致θ的涨落，从而θ可以从0到2π连续取值。完全类比粒子物理，此类磁性材料中磁电耦合的涨落可称之为动力学轴子场。凝聚态材料中的动力学轴子场是一类全新的物质态，可导致许多新奇的宏观量子现象。例如动力学轴子场与电磁场耦合可实现凝聚态物理中一种全新的元激发-轴子极化激元；具有动力学轴子场的磁性材料在外电场下会有不稳定性，表现出完全屏蔽外电场。但是，这些新奇的物理现象一直没有在实验上被证实，因为具有动力学轴子场的材料平台一直没有被发现。

复旦大学王靖教授研究组和南京大学张海军教授研究组合作，理论上指出在邻近拓扑量子相变的反铁磁绝缘态中可实现强动力学轴子场；并预言了一类内禀磁性的拓扑反铁磁绝缘体Mn2Bi2Te5，其中能带拓扑和反铁磁序共存，可以实现强动力学轴子场；并提出利用光学二次谐波以及反铁磁共振来测量动力学轴子场。Mn2Bi2Te5是一种层状磁性材料，每一个“九层”单元包含两个Mn单原子层，并呈现出垂直于表面方向的反铁磁长程序。其可以看成在双层MnTe插层到单层Bi2Te3中进而形成层状结构。这种独特的磁结构破坏了时间反演和空间反射对称性，满足了动力学轴子场的对称性要求。计算表明，Mn2Bi2Te5具有能带反转，且非常接近拓扑量子相变点，可实现强动力学轴子场。这里值得指出的是，Mn2Bi2Te5与她的姐妹材料Mn2Bi2Te4有着本质的不同，前者呈现动力学轴子场以及非量子化的磁电效应，后者呈现量子化拓扑磁电效应的轴子绝缘体。她们都具有拓扑表面态，但前者表面态具有与表面方向无关的磁性能隙，而后者表面态的磁性能隙与表面方向相关。

内禀磁性的拓扑反铁磁绝缘体Mn2Bi2Te5是另一种理想的磁性拓扑绝缘体系统，而且实验样品已经成功合成，有望成为第一个实现动力学轴子场的量子材料。与Mn2Bi2Te4和Bi2Te3的异质结可产生更多具有可调磁相互作用和拓扑性质的新材料，必将成为研究磁性拓扑物态、二维材料调控、凝聚态/光学交叉等研究的理想平台。

Mn2Bi2Te5中的动力学轴子态。(a) 晶体结构。(b), (c) 静态θ和动态δθ涨落幅度随时间反演对称质量m的变化。(d), (e) Mn2Bi2Te5的能带结构和态密度分布。(f) 体能隙随自旋轨道耦合强度的变化。(g) 静态θ和动态δθ涨落幅度随自旋轨道耦合强度的变化。

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