Phys. Rev. Lett.：AMgBi正交晶系化合物（A = Li,Na,K）中的反铁电性拓扑绝缘体

【引言】

拓扑绝缘体代表一种全新的量子态，具有奇特的性质，如强烈的边缘电流及自旋-动量锁定现象。正是这些独特的性质促使拓扑绝缘体在磁单极子和马约拉纳费米子的基础研究中、乃至在容错量子计算机中得以应用。

【成果简介】

近日，罗格斯大学的Bartomeu Monserrat在Phys. Rev. Lett.上发表了题为“Antiferroelectric Topological Insulators in Orthorhombic AMgBi Compounds (A = Li, Na, K) ”的文章。在这篇文章中，研究人员将反铁电性拓扑绝缘体作为一类新的功能材料，利用电场来控制拓扑次序并诱导拓扑相变。通过使用第一性原理方法来预测AMgBi正交晶系化合物（A = Li,Na,K）是反铁电性拓扑绝缘体。结果还显示了外延应变和静水压力可用于调整这些化合物的拓扑顺序和带隙。反铁电性拓扑绝缘体可以利用电场来实现对拓扑结构的精确控制，增强拓扑材料在电子和自旋电子学中的适用性。

【图文导读】

图一：极性与电场的关系

(a) 铁电性拓扑绝缘体示意图。

(b) 具有对极正常绝缘体（NI）状态和两个极性拓扑绝缘体（TI）状态的反铁电性拓扑绝缘体示意图。在本文中被称为I型反铁电性拓扑绝缘体。

图二：LiMgBi化合物的带隙关于外延应变的函数

使用LDA计算得到的极性P6₃mc（顶）和对极Pnma（底）结构的LiMgBi化合物的带隙关于外延应变的函数。P6₃mc结构表现为拓扑绝缘体（TI）、Weyl半金属（WSM）和正常绝缘体（NI）的区域，而Pnma结构呈现金属和正常的绝缘体相。注意，应变为0的Pnma结构与平衡Pnma结构不同，这是由于面内晶格参数必须遵守比率。

图三：极性P63mc LiMgBi的带结构

极性P63mc LiMgBi的带结构，其对应于正常绝缘体的-2.9％（左）和对应于拓扑绝缘体的±0.3％（右）。

图四：KMgBi化合物的带状结构关于静水压力的函数

使用LDA计算得到的极性P6₃mc（上）和对极Pnma（底部）结构的KMgBi化合物的带状结构关于静水压力的函数。P6₃mc结构表现出拓扑绝缘体（TI）状态和金属状态，而Pnma结构显示拓扑绝缘体和正常绝缘体（NI）相。

【小结】

在这篇文章中，作者提出了一种新型功能材料，即反铁电性拓扑绝缘体，可以利用电场来诱导拓扑相变并控制拓扑学顺序。使用第一性原理方法，研究人员得出AMgBi正交晶系化合物可用于探索反铁电性拓扑绝缘体的存在。AMgBi正交晶系化合物在反铁电和拓扑性质之间表现出有趣的相互作用，并受到外延应变和静水压力的影响。LiMgBi在应变的作用下以及KMgBi在压力的作用下均显现出作为反铁电性拓扑绝缘体的实验材料的可能性。

文献链接：Antiferroelectric Topological Insulators in Orthorhombic AMgBi Compounds (A = Li, Na, K)（Phys. Rev. Lett.2017，DOI:10.1103/PhysRevLett.119.036802）

本文由材料人编辑部计算材料组daoke供稿，材料牛整理编辑。

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