近日，南方科技大学物理系副教授刘奇航课题组在铁磁轴子绝缘体中拓扑磁电效应研究方面取得进展，该课题组成员、物理系2018级本科生万雨豪以共同第一作者身份在《国家科学评论》（National Science Review）上发表了题为“Topological Magnetoelectric Response in Ferromagnetic Axion Insulators ”的研究论文。

轴子绝缘体是凝聚态物理中一种重要的拓扑物态，近年来得到广泛关注。当三维拓扑绝缘体表面的时间反演对称性被破坏时，其表面打开能隙，以此得到的拓扑绝缘相被称作轴子绝缘体相。由于轴子绝缘体内非平庸的轴子场（θ=π）与外界真空平庸的轴子场（θ=0）之间存在梯度，根据拓扑场论预言，这样的体系会存在一种特殊的磁电响应，也就是拓扑磁电效应。

此前的研究中，虽然有很多材料经过实验观测被认为是轴子绝缘体，但是目前还没有实验观测到这些材料中的拓扑磁电效应。这是因为在实验上直接观测拓扑磁电效应的条件非常苛刻，不仅要求有体态的拓扑轴子相，而且需要所有的表面都打开非平庸的磁性能隙，这需要材料具有十分复杂的磁构型。自然界大部分磁构型是铁磁或者反铁磁，因此要在实验上实现这样复杂的磁构型非常困难。如何设计一个可以直接观测到拓扑磁电效应的实验成为了一个亟待解决的问题。

图1. 不同尺寸下三棱柱铁磁MnBi2Te4的磁电响应系数随铁磁交换强度的变化

研究人员通过构建紧束缚模型，利用线性响应理论计算发现在特殊的几何构型下，即使是铁磁体系也可以实现拓扑磁电效应。研究人员提出在铁磁序下的MnBi2Te4/( Bi2Te3)n 家族体系的三棱柱构型是实现拓扑磁电效应的理想平台。在三棱柱构型下，体系的侧表面由于高阶弯曲效应而打开的磁性能隙具有相同的符号，这使得高阶拓扑态被局域在上表面的边界，不会影响到侧表面的霍尔环流，从而帮助实现拓扑磁电响应。研究人员通过线性响应理论对体系的磁电响应系数进行了定量计算，计算结果与拓扑磁电响应理论上所预测的半整数的磁电耦合系数非常接近（如图1所示）。

在真实的有限层系统中，拓扑磁电效应导致的磁化和棱态导致的磁化分别是随电场变化的奇函数和偶函数，所以可以通过反转电场的方式提取出拓扑磁电效应导致的磁化（如图2所示）。此外，研究人员通过观察手征态的实空间分布，刻画了一种由于铁磁轴子绝缘体材料厚度变化而导致的从三维高阶拓扑绝缘体到二维陈绝缘体的转变。该研究首次证明了体系的几何构型对实现拓扑磁电效应的重要性，并为实验上实现拓扑磁电效应提供了一种新的思路。

图2.通过将电场反向提取出拓扑磁电效应的磁化贡献

南方科技大学物理系2018级本科生万雨豪（2022年秋直博保送至北京大学量子材料中心）及2020级博士研究生李嘉裕为该论文的共同第一作者，刘奇航副教授为通讯作者，南科大为论文第一单位。本研究得到科技部重点研发计划青年项目、国家自然科学基金等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwac138