Tunable topological states in layered magnetic materials of MnSb2Te4, MnBi2Se4, and MnSb2Se4

反铁磁性 拓扑绝缘体 能量(信号处理) 结晶学 铁磁性 半金属 凝聚态物理 物理 量子力学 带隙 化学
作者
Huisheng Zhang,Wenjia Yang,Ying-Ying Wang,Xiaohong Xu
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:103 (9) 被引量:50
标识
DOI:10.1103/physrevb.103.094433
摘要

The recently discovered magnetic topological insulator of $\mathrm{Mn}{\mathrm{Bi}}_{2}{\mathrm{Te}}_{4}$, has been successfully used to explore emerging physical phenomena, such as the quantum anomalous Hall effect (QAHE) and axion insulator state. Based on first-principles calculations, we have systematically investigated the electronic, magnetic, and topological properties of layered $\mathrm{Mn}{\mathrm{Sb}}_{2}{\mathrm{Te}}_{4}, \mathrm{Mn}{\mathrm{Bi}}_{2}{\mathrm{Se}}_{4}$, and $\mathrm{Mn}{\mathrm{Sb}}_{2}{\mathrm{Se}}_{4}$, where those materials host similar crystal structure as the $\mathrm{Mn}{\mathrm{Bi}}_{2}{\mathrm{Te}}_{4}$. Our calculations first show that each bulk system with antiferromagnetic order can be converted into a three-dimensional topologically nontrivial insulator by applying appropriate pressure. Then, we find that ferromagnetic (FM) $\mathrm{Mn}{\mathrm{Sb}}_{2}{\mathrm{Te}}_{4}$ is a type II Weyl semimetal with a single pair of Weyl points near Fermi level. Specifically, FM $\mathrm{Mn}{\mathrm{Bi}}_{2}{\mathrm{Se}}_{4}$ and $\mathrm{Mn}{\mathrm{Sb}}_{2}{\mathrm{Se}}_{4}$ can be readily converted into Weyl semimetals under pressure. Furthermore, we notice that QAHE can also be achieved in layered FM $\mathrm{Mn}{\mathrm{Sb}}_{2}{\mathrm{Te}}_{4}$ and $\mathrm{Mn}{\mathrm{Bi}}_{2}{\mathrm{Se}}_{4}$. All those findings demonstrate that the $\mathrm{Mn}{\mathrm{Bi}}_{2}{\mathrm{Te}}_{4}$-like materials of $\mathrm{Mn}{\mathrm{Sb}}_{2}{\mathrm{Te}}_{4}, \mathrm{Mn}{\mathrm{Bi}}_{2}{\mathrm{Se}}_{4}$, and $\mathrm{Mn}{\mathrm{Sb}}_{2}{\mathrm{Se}}_{4}$ are promising candidates to explore intriguing topological quantum states.
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