高通量研究使拓扑学更具“磁性”：上百种磁性拓扑材料被发现

研究人员对一种理想的磁拓扑绝缘体NpBi的边界态展开了研究。

研究人员可以利用完整的带拓扑理论对非磁性晶体的电子结构进行分类。然而，磁性材料的类似分类法则仍然是一个谜，因此，目前发现的磁性拓扑材料数量非常有限。

《自然》杂志当地时间10月28日发文称，一个国际研究团队首次对磁性拓扑材料进行了高通量研究，并由此发现了100多种新的磁性拓扑绝缘体和半金属。

团队研究人员来自德国马克斯普朗克微观结构物理学研究所（MPIMP）、固体化学物理学研究所（MPICPS）、西班牙巴斯克大学、多诺斯蒂亚国际物理学中心（DIPC）、法国科学研究中心（CNRS）和美国普林斯顿大学。

由于磁性晶体的复杂对称性以及量子磁体建模、测量的实际困难，候选次拓扑材料相对匮乏。首先，虽然科学家能够在已建立的晶体结构数据库中对大量已知化合物进行筛选，但实际可用的磁性结构不过数百种。其次，非磁性结构只被划分为230个空间群，而磁性材料的空间群多达1421个。

普林斯顿大学物理学教授B. Andrei Bernevig补充道：“除此之外，在所有的磁性系统中，我们还必须考虑电子-电子相互作用的影响。这使得磁拓扑材料的预测任务变得更加艰难。”

现在，研究团队的新发现推动磁性拓扑材料研究向前迈出了一大步。巴斯克大学教授Luis Elcoro说：“我们对非磁性材料的带结构有了更完整的理解。在拓扑量子化学（TQC）理论中，我们将材料的拓扑特征与潜在化学性质联系起来，使非磁性拓扑材料的研究能以自动化方式进行。TQC代表了预测、表征所有可能的带结构晶体化学计量材料的通用框架。”

普林斯顿大学与麻省理工学院博士后研究员Benjamin Wieder说：“要在磁性材料研究中取得类似成绩，就需要建立一种等同于TQC的理论。然而，因为有超过1000种磁对称群需要加以考虑，仅凭‘蛮力’解决问题可能会很棘手。”

幸运的是，团队成员发现了克服难关的方法——他们将来自磁结构数据库服务器的初始数据输入理论模型。在确定了潜在候选者之后，研究人员对549种磁结构进行了分析，确定了电子波函数的磁对称性，然后对TQC进行“磁性扩展”，确定了哪些磁结构承载着非凡的电子带拓扑。最终，研究人员确定了其中130多种磁性拓扑材料。

下一步，他们计划通过实验对材料的拓扑特性一一进行验证。

原创编译：雷鑫宇 审稿：西莫 责编：陈之涵

期刊来源：《自然》

期刊编号：0028-0836

原文链接：https://phys.org/news/2020-10-topology-magnetic-topological-materials.html

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