日前，我系副院长刘奇航课题组与校内外课题组合作，在磁性拓扑材料及量子反常霍尔效应领域取得一系列重要进展反常霍尔效应，研究成果在（IF：12.19）、（IF：9.23）以及Nano（IF：12.28）等刊物上发表。
量子反常霍尔效应是霍尔效应家族的重要一员，具有本征的量子化的纵向浊度率。实现这些功能的材料被称为陈绝缘体，是一种二维的磁性拓扑绝缘体，其拓扑态用“陈数”标定。它的体态是绝缘的，边沿态导电，并贡献了量子化的纵向浊度率。这种边沿态对材料中的局域无序不怎样敏感，不容易被散射，所以量子反常霍尔效应材料可拿来设计低帧率的电子元件。近些年来，找寻合适的量子反常霍尔效应材料仍然是一个深受关注的课题。
研究表明，陈绝缘体可以通过磁性参杂的拓扑绝缘体薄膜获得，并且这些方式形成稳定的长程铁磁序比较困难，但是形成的体能隙也比较小，造成可观测气温极低（30-100mK）。刘奇航课题组及其合作者通过研究本征的层状磁性拓扑材料Mn-Bi-Te家族（,等），提出了一种基于超晶格结构的磁性拓扑绝缘体来实现量子反常霍尔效应的方案。
图1Mn-Bi-Te家族。图片来自ofand789,443(2019)
Mn-Bi-Te家族是一类层状的反铁磁拓扑绝缘体，是其母体材料，通过向（记为A）层间插入相应数目的(记为B)可以得到，等（图1）。理论预测这类拓扑绝缘体的天然解理面，即（001）表面会出现磁性造成的能隙。数学系副院长刘畅课题组和量子科学与工程研究院副研究员陈朝宇课题组通过高帧率的角区分光电子能谱实验发觉，的（001）表面出现一个拓扑保护的的狄拉克锥。针对这一独特的实验观测，刘奇航课题组通过理论估算提出这可能是由无序造成的表面磁性构建造成的，并从对称性的角度举出了支持这些不寻常导电状态的几种可能的表面磁性结构（图2）。相关研究结果发表在X。
图2[001]表面的表面态。(左)ARPES观测到的无能隙Dirac锥；(右)理论估算的不同磁构象对应的表面态
另外，之前的理论预测质数层的会出现量子反常霍尔效应，但此后几个实验都没能清晰地观测到这一效应，其缘由是须要很高的磁场来使体系成为铁磁态，而要想得到量子反常霍尔效应须要尽量地减少甚至去除对外磁场的依赖。基于这个出发点，刘奇航课题组与加洲学院纽约校区的倪霓课题组联合研究了Mn-Bi-Te家族的另一成员反常霍尔效应，。研究表明，层可有效减少相邻两个磁层间的交换作用，中的铁磁态对外磁场的依赖比的情形增加了一个数目级，相对于的情形，向理想的量子反常霍尔效应迈入了一步。相关研究结果发表在。
基于对Mn-Bi-Te家族成员和拓扑性质与磁性质的研究，刘奇航课题组进一步通过有效模型和第一性原理估算强调，二维多层的Mn-Bi-Te材料可以拿来实现多种拓扑相，包括时间反演对称的量子载流子霍尔效应,时间反演破缺的量子载流子霍尔效应，以及量子反常霍尔效应。图3给出了非磁性拓扑绝缘体以及铁磁性拓扑绝缘体Mn-Bi-Te家族的二维结构在磁交换场下的相图。相关研究结果发表在。
图3拓扑相图及不同二维Mn-Bi-Te构象的拓扑相分布。黑色，白色，淡黄色区域分别为乏味的绝缘体，时间反演破缺的量子载流子霍尔态和量子反常霍尔态；蓝线为时间反演对称的量子载流子霍尔态
交换场为零时，也就是在图3纵轴上，非磁性拓扑绝缘体薄膜的拓扑数Z2随着层数表现出了0和1之间的振荡。这样的振荡依赖于由材料性质决定的具体参数。刘奇航课题组通过介孔泛函的第一性原理估算发觉，对于薄膜这样拓扑性的振荡存在，而且对于薄膜，在能隙关掉之前，其三维薄膜都是拓扑乏味的，这与之前基于模型喀什顿量的理论预测结果不同。为了否认这一点，与刘奇航课题组合作的陈朝宇课题组以及国防科技学院的王振宇通过角区分光电子谱的方法研究了薄层的能带结构。通过参杂In的方法，将体系的载流子轨道耦合奔向减小的方向调控，发觉带隙单调降低，而不是先关掉再打开，从实验上直接证明了这个二维体系的带隙是拓扑乏味的。相关研究结果发表在Nano。
这一系列的研究成果为磁性拓扑绝缘体和量子反常霍尔效应材料的设计指明了新的方向，也会剌激更多磁性拓扑材料的理论预测和实验制备。
刘奇航为几篇文章的通信作者（共同通信作者）。主要合作者包括北方科技学院刘畅课题组、徐虎课题组、陈朝宇课题组，国王科技学院王振宇课题组，日本加洲学院纽约校区的倪霓课题组，佛罗里达学院博尔德校区D.课题组等。
本课题的举办和完成得到了国家自然科学基金、广东省创新创业团队、广东省重点实验室、深圳市重点实验室以及南工大超算中心等项目的支持。
论文链接：
1.，磁性拓扑绝缘体的拓扑性质：
2.，基于层状磁性拓扑绝缘体设计量子反常霍尔效应：
3.Nano，拓扑绝缘体二维薄膜的拓扑性质：
