日前，我系副院長劉奇航課題組與校內外課題組合作，在磁性拓撲材料及量子反常霍爾效應領域取得一系列重要進展反常霍爾效應，研究成果在（IF：12.19）、（IF：9.23）以及Nano（IF：12.28）等刊物上發表。
量子反常霍爾效應是霍爾效應家族的重要一員，具有本征的量子化的縱向濁度率。實現這些功能的材料被稱為陳絕緣體，是一種二維的磁性拓撲絕緣體，其拓撲態用“陳數”標定。它的體態是絕緣的，邊沿態導電，并貢獻了量子化的縱向濁度率。這種邊沿態對材料中的局域無序不怎樣敏感，不容易被散射，所以量子反常霍爾效應材料可拿來設計低幀率的電子元件。近些年來，找尋合適的量子反常霍爾效應材料仍然是一個深受關注的課題。
研究表明，陳絕緣體可以通過磁性參雜的拓撲絕緣體薄膜獲得，并且這些方式形成穩定的長程鐵磁序比較困難，但是形成的體能隙也比較小，造成可觀測氣溫極低（30-100mK）。劉奇航課題組及其合作者通過研究本征的層狀磁性拓撲材料Mn-Bi-Te家族（,等），提出了一種基于超晶格結構的磁性拓撲絕緣體來實現量子反常霍爾效應的方案。
圖1Mn-Bi-Te家族。圖片來自ofand789,443(2019)
Mn-Bi-Te家族是一類層狀的反鐵磁拓撲絕緣體，是其母體材料，通過向（記為A）層間插入相應數目的(記為B)可以得到，等（圖1）。理論預測這類拓撲絕緣體的天然解理面，即（001）表面會出現磁性造成的能隙。數學系副院長劉暢課題組和量子科學與工程研究院副研究員陳朝宇課題組通過高幀率的角區分光電子能譜實驗發覺，的（001）表面出現一個拓撲保護的的狄拉克錐。針對這一獨特的實驗觀測，劉奇航課題組通過理論估算提出這可能是由無序造成的表面磁性構建造成的，并從對稱性的角度舉出了支持這些不尋常導電狀態的幾種可能的表面磁性結構（圖2）。相關研究結果發表在X。
圖2[001]表面的表面態。(左)ARPES觀測到的無能隙Dirac錐；(右)理論估算的不同磁構象對應的表面態
另外，之前的理論預測質數層的會出現量子反常霍爾效應，但此后幾個實驗都沒能清晰地觀測到這一效應，其緣由是須要很高的磁場來使體系成為鐵磁態，而要想得到量子反常霍爾效應須要盡量地減少甚至去除對外磁場的依賴。基于這個出發點，劉奇航課題組與加洲學院紐約校區的倪霓課題組聯合研究了Mn-Bi-Te家族的另一成員反常霍爾效應，。研究表明，層可有效減少相鄰兩個磁層間的交換作用，中的鐵磁態對外磁場的依賴比的情形增加了一個數目級，相對于的情形，向理想的量子反常霍爾效應邁入了一步。相關研究結果發表在。
基于對Mn-Bi-Te家族成員和拓撲性質與磁性質的研究，劉奇航課題組進一步通過有效模型和第一性原理估算強調，二維多層的Mn-Bi-Te材料可以拿來實現多種拓撲相，包括時間反演對稱的量子載流子霍爾效應,時間反演破缺的量子載流子霍爾效應，以及量子反常霍爾效應。圖3給出了非磁性拓撲絕緣體以及鐵磁性拓撲絕緣體Mn-Bi-Te家族的二維結構在磁交換場下的相圖。相關研究結果發表在。
圖3拓撲相圖及不同二維Mn-Bi-Te構象的拓撲相分布。黑色，白色，淡黃色區域分別為乏味的絕緣體，時間反演破缺的量子載流子霍爾態和量子反常霍爾態；藍線為時間反演對稱的量子載流子霍爾態
交換場為零時，也就是在圖3縱軸上，非磁性拓撲絕緣體薄膜的拓撲數Z2隨著層數表現出了0和1之間的振蕩。這樣的振蕩依賴于由材料性質決定的具體參數。劉奇航課題組通過介孔泛函的第一性原理估算發覺，對于薄膜這樣拓撲性的振蕩存在，而且對于薄膜，在能隙關掉之前，其三維薄膜都是拓撲乏味的，這與之前基于模型喀什頓量的理論預測結果不同。為了否認這一點，與劉奇航課題組合作的陳朝宇課題組以及國防科技學院的王振宇通過角區分光電子譜的方法研究了薄層的能帶結構。通過參雜In的方法，將體系的載流子軌道耦合奔向減小的方向調控，發覺帶隙單調降低，而不是先關掉再打開，從實驗上直接證明了這個二維體系的帶隙是拓撲乏味的。相關研究結果發表在Nano。
這一系列的研究成果為磁性拓撲絕緣體和量子反常霍爾效應材料的設計指明了新的方向，也會剌激更多磁性拓撲材料的理論預測和實驗制備。
劉奇航為幾篇文章的通信作者（共同通信作者）。主要合作者包括北方科技學院劉暢課題組、徐虎課題組、陳朝宇課題組，國王科技學院王振宇課題組，日本加洲學院紐約校區的倪霓課題組，佛羅里達學院博爾德校區D.課題組等。
本課題的舉辦和完成得到了國家自然科學基金、廣東省創新創業團隊、廣東省重點實驗室、深圳市重點實驗室以及南工大超算中心等項目的支持。
論文鏈接：
1.，磁性拓撲絕緣體的拓撲性質：
2.，基于層狀磁性拓撲絕緣體設計量子反常霍爾效應：
3.Nano，拓撲絕緣體二維薄膜的拓撲性質：