固有磁性拓撲材料的發現，包括具有較大反常霍爾效應的半金屬和軸子絕緣體，主導了固態材料的基礎研究。拓撲量子化學使對順磁拓撲材料的理解和研究成為可能。近日，來自德國柏林自由大學 & 美國普林斯頓大學的B. Andrei Bernevig等研究者，利用磁拓撲量子化學(MTQC)獲得的磁拓撲指數，根據第一性原理計算對磁拓撲材料進行高通量搜索。相關論文以題為「High-throughput calculations of magnetic topological materials」發表在Nature上。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2837-0
在過去的二十年中，非磁性拓撲材料一直主導著拓撲物理。這一領域的研究導致了一系列理論和實驗上的迅速發現；著名的例子包括二維和三維空間拓撲絕緣子的理論預測，拓撲晶體絕緣子，Dirac和Weyl半金屬，和非對稱拓撲絕緣子和半金屬。雖然拓撲材料一度被認為是罕見和深奧的，但最近在非磁性拓撲材料方面的進展發現拓撲絕緣子和強制半金屬比最初認為的要普遍得多。
2017年，拓撲量子化學和基於對稱指標的等效方法提供了在實空間和動量空間中所有非磁對稱群中所有可能的原子極限帶結構的普遍全局性質描述。這允許對非磁性、非平凡(拓撲)帶結構進行分類，使用高通量方法改變了我們對自然出現的拓撲材料數量的理解。大約40%-50%的非磁性材料可以在費米級歸類為拓撲材料，提供了拓撲材料的「周期表」。
由於眾多的挑戰，這些在非磁性材料上的突破還沒有在磁性化合物上取得類似的進展。
首先，雖然最近引入了一種對1651個磁性和非磁性空間群的帶拓撲進行分類的方法，目前還沒有類似於拓撲量子化學的理論或等效方法將文獻中的指標群與拓撲(異常)表面(和鉸鏈)狀態聯繫起來。其次，磁共表示和相容關係的完整分類尚未表列出來。第三，從從頭算帶結構計算磁共表示的代碼不存在。第四，即使上述所有條件都可用，磁化合物的從頭計算對於鐵磁體以外的複雜磁性結構來說，也是出了名的不準確。具體地說，除非材料的磁性結構是預先知道的，否則從頭計算很可能收斂於令人誤解的基態。這意味著精確預測的磁拓撲材料的數量少於10個。
在這項工作中，研究者以畢爾巴鄂晶體學伺服器上的磁性材料資料庫為起點，該資料庫包含了從中子散射實驗中推導出的超過549種磁性化合物，對這些磁結構進行了全局部密度近似(LDA)哈伯德U計算，從而確定了130中增強半金屬(對其帶交叉隱含對稱特徵值)和拓撲絕緣子。研究者預測了實際材料中幾種新的磁拓撲相，包括帶鉸鏈弧的高階磁Dirac半金屬，長費米弧的磁性手性晶體，節點與時間反演對稱無關的狄拉克半金屬，非共線抗鐵磁體中的韋爾點和節點線，以及具有間隙表面狀態和手性鉸鏈模式的理想軸子絕緣子。
圖1 MTQC預測的「高質量」磁性拓撲材料的能帶結構。
圖2 典型磁拓撲絕緣子和增強半金屬相的拓撲表面狀態。
綜上所述，研究者利用MTQC裝置對現有的549種磁結構進行了LDA + U計算，並對403種磁結構進行了分類。當掃描U參數時，研究者發現130種材料(約佔總數的32%)具有拓撲相。結果表明，大量先前合成的磁性材料在拓撲結構上是非平凡的。與此同時，研究者強調了一些「高質量」的磁性拓撲材料，應該通過實驗來檢驗它們的拓撲響應效應和表面(和鉸鏈)狀態。（文：水生）
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