近日，理学院物理系计算物理团队宋昌盛副教授课题组以“Strain-induced topological phase transition and enhanced Curie temperature in MnBi2Te4/CrI3 heterojunction” 为题发表于Phys. Rev. Materials 6, 014011 (2022) (论文链接：https://journals.aps.org/prmaterials/abstract/10.1103/PhysRevMaterials.6.014011)。
该工作得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等资助。工作中的理论计算是在浙江理工大学理学院物理系高性能计算集群中进行。物理系硕士研究生吴泽彬为第一作者，宋昌盛副教授为通讯作者。
工作介绍：
二维磁性拓扑绝缘体由于同时具备铁磁性及非平庸的拓扑性质，引起了广泛的研究热潮。特别是MnBi2Te4（MBT），这是一种具有7原子层结构的反铁磁范德华拓扑材料。前期文献[Phys. Rev. Lett. 122, 107202 (2019), Phys. Rev. B 100, 121103(R) (2019), Nat. Mater. 19, 522-527 (2020)]报道MBT材料具有与厚度密切相关的拓扑性质，且易于外场调控。当其层数为奇数时，材料通常表现出量子反常霍尔效应，偶数层则为轴子绝缘体。MBT的发现为磁性拓扑自旋电子器件的探索提供了良好的平台。然而，当层数仅为1时，由于缺少层间相互作用以及其固有的大带隙，单层MBT仅为一种间接带隙半导体，表现出拓扑平庸性，且在外场作用下也难以像块体材料那样发生拓扑相变。此外，MBT结构的磁各向异性能较弱，对应居里转变温度也极低（12K）。因此，二维MBT材料的研究焦点之一在于改善其单层材料的拓扑性质并提升磁各向异性能及居里温度。
课题组采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了由单层MBT和磁性半导体CrI3构成的MnBi2Te4/CrI3异质结。研究发现不同于具有层间反铁磁耦合的MBT和CrI3双层结构, MnBi2Te4/CrI3异质结界面会由于自旋交换带来较强的层间铁磁耦合。通过施加双轴应变对层间相互作用的调控，其能带结构中MBT费米能级附近轨道贡献会发生反转，从间接带隙转为直接带隙。特别是在-5%压缩应变情况下出现能带翻转，表现出一种界面拓扑行为。此外，文章还指出，在压缩应变下异质结的磁各向异性能（MAE）会出现近10倍的显著提升。相应的居里温度在压缩应变下也能从80K提升至91K，而单独材料仅为12K（MBT）和45K（CrI3）。该工作为二维MBT铁磁体实现拓扑相变提供了研究方向，同时也为设计具有强铁磁性及高居里温度的自旋电子器件提供了理论指导。
