拓扑绝缘体电子结构磁性调控的第一性原理研究

Topological insulator is a new state of quantum matter with many novel physical properties, it is currently a research hotspot in condensed matter physics. By destroying time-reversal symmetry with magnetic field, a gap can be opened at the Dirac point of the topological insulator surface state,which could result in such novel quantum phenomena as the quantum anomalous Hall (QAH) effect and the topological magnetoelectric effect (TME). So it is important to understand the magnetic control of topological insulator electronic structures.Because of the low density and disorder effect of magnetic impurity, the often used method of magnetic impurity doping results in small and probably non-uniform surface gap.So it is not an ideal method to control topological insulator by magnetism.In this project we propose to use two different approaches to magnetically control the electronic structures of topological insulators: topological insulator/magnetic insulator heterostructures, and natural superlattice magnetic topological insulators. Using first-principles computational methods, we plan to study the topological insulator/magnetic insulator heterostructures and natural superlattice magnetic topological insulators. We plan to make progresses in several important problems: compute the structural stability of heterostructure and "natural superlattice"; obtain interfacial magnetic exchange coupling strength; study the relation between magnetic anisotropy and interface chemical composition; and, in the end, understand the relation between atomic structure, magnetic exchange coupling, magnetic anisotropy, and electronic structure. We will be able to theoretically predict new material systems with quantum anomalous Hall effect or topological magnetoelectric effect.

拓扑绝缘体（TI）是新的量子物质，有很多新奇的物理性质，是当前凝聚态物理研究的热点。通过磁性破坏时间反演对称性，就有可能在TI的原狄拉克点打开带隙，进而可能实现量子反常霍尔效应、拓扑磁电效应等新奇量子现象，因此TI电子态的磁性调控具有重要意义。常见的磁性原子掺杂方法受到低掺杂浓度和空间无序分布的制约，其打开的带隙往往很小且空间分布不均，因此调控效果并不理想。本项目使用两种不同方案对TI的电子结构进行磁性调控：TI/磁性绝缘体异质结及天然超晶格磁性TI。运用第一性原理计算方法，本项目将研究TI/磁性绝缘体异质结以及天然超晶格磁性TI,在几个关键科学问题上取得进展:计算界面及天然超晶格磁性TI的结构稳定性；获得界面的磁交换耦合强度；研究磁各向异性与界面结构和化学组分的关系；最终理解原子结构、磁交换耦合、磁各向异性、电子结构的内在联系，预测具有量子反常霍尔效应和拓扑磁电效应的新体系。

本课题围绕拓扑表面电子态与磁性的耦合，研究对其表面电子态进行磁调控。主要在以下几个方面取得了进展：拓扑绝缘体/磁性绝缘体异质结、大带隙二维拓扑绝缘体、及两种FeSe结构的磁性。.在拓扑绝缘体/磁性绝缘体异质结方面，我们研究了Bi2Se3/MnSe及相关的其它异质结。发现用As或P替换界面的Se原子可以补偿原来界面的多余电荷，使得原来的能带弯曲得到了矫正，从而得到具有完全带隙的拓扑界面态。界面处磁性绝缘体与拓扑表面态之间的磁交换耦合依然很强，有利于实现预计的拓扑磁电效应和反常量子霍尔效应的实验测量和实际应用。.在大带隙二维拓扑绝缘体的研究方面，我们发现了由V族元素P, As, Sb, Bi形成的一种新的二维结构，由四原子环和八原子环构成。其中Bi元素构成的新结构是二维拓扑绝缘体，平衡条件下其带隙是0.33eV，并且可以通过施加应变进一步增大。另外，通过对金属性的Bi(110)双原子层（或类似As和Sb双原子层）用H原子或卤素原子F, Cl, Br, I修饰后可以获得一系列稳定的大带隙二维拓扑绝缘体。其中最大带隙值为0.93 eV，大于其它大多数二维拓扑绝缘体的带隙。研究还表明这些薄与衬底间的作用不是很强。这些大带隙的二维拓扑绝缘体在无耗散电子输运及自旋霍尔效应观测方面都具有潜力。.对于FeSe的六角结构和四方层状结构，我们结合第一性原理计算与自旋极化的扫描隧道显微镜进行研究。对于六角结构FeSe的磁性，我们的结果表明FeSe表面具有自旋面内取向的非共线Neel反铁磁结构。四方结构的层状FeSe是结构最简单的铁基超导体，理论和实验两方面对于其磁性都有一些不一致甚至矛盾的研究结果。我们研究了FeSe薄膜中Se空位的磁性，揭示了FeSe薄膜中静态磁序的缺失。计算中LDA近似与GGA近似结果的差异显示了FeSe靠近磁临界点。这一结果有助于理解层状FeSe中的磁性及磁性与非常规超导机理的可能联系。