image: 此前，实现拓扑磁电效应的方案仅针对理想的反铁磁体系构型，包括（a）具有表面刺猬型磁矩的三维球形拓扑绝缘体和（b）具有侧表面法向磁矩的圆柱形拓扑绝缘体，但这两种表面磁矩构型在真实材料中难以实现。（c）对于铁磁体系，赤道区域因存在无能隙的手征模，在外电场下南北半球区域霍尔环流方向相反，无法产生净轨道磁矩。（d）通过几何构型设计，三棱柱铁磁MnBi2Te4的侧表面仅有一支平行于手征模的霍尔环流，在外电场下可产生净轨道磁矩，实现拓扑磁电效应。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
近日，《国家科学评论》杂志在线发表了南科大物理系刘奇航副教授课题组的研究成果，该研究指出几何构型设计在实现拓扑磁电效应中的重要作用，提出在铁磁材料中实现拓扑磁电效应的方案。
拓扑场论预言轴子绝缘体具有独特的拓扑磁电响应，即在材料中施加外电场（外磁场）可导致平行于外场的轨道磁矩（电极化），虽然近年来有多个反铁磁体系被实验证明为轴子绝缘体，但一直未能观测到拓扑磁电效应。因为实现拓扑磁电效应需要体系的所有表面都具有符号相同的磁性能隙，实验上难以实现这种复杂的表面磁构型。
该研究团队指出，经过特殊的几何构型设计，铁磁轴子绝缘体在外电场下能诱导表面霍尔环流，同样能实现拓扑磁电效应。与此前的反铁磁方案不同，该体系只需共线铁磁序，在著名的本征磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4家族上可容易实现。通过线性响应理论进行计算，研究团队在铁磁轴子绝缘态的MnBi2Te4得到接近量子化的拓扑磁电响应系数，表明该体系是实现拓扑磁电效应的理想平台。研究首次证明了几何构型设计在实现拓扑磁电效应中重要性，对实验上实现拓扑磁电效应提供了新思路。
文章详情：
Topological magnetoelectric response in ferromagnetic axion insulators
https://doi.org/10.1093/nsr/nwac138
Journal
National Science Review