近日，我院戴瑛教授团队在拓扑物态研究中取得新进展，相关成果分别发表在ACS Nano、Materials Horizons 和 Nano Letters期刊上。
进展一：拓扑物性不仅限于费米子系统，还可以存在于玻色子系统，例如磁子系统。然而，同时具有电子和磁子拓扑物性的材料却尚未有报道。戴瑛教授团队揭示了一阶拓扑磁振子绝缘体（TMI）和电子二阶拓扑绝缘体（SOTI）在二维蜂窝铁磁体中的共存机制，并预测了一系列可在实验中实现的材料，如MoI3、CrSiTe3和CrGeTe3单层等。在磁子系统中，由次近邻 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用引起的相因子破坏了赝自旋时间反转对称性，导致磁振子带节点的分裂，形成陈数为 1 的 TMI。此外，在 C3 旋转对称性的保护下，电子 SOTI 具有显著的非平庸角态特征。该工作极大地丰富了人们对磁性拓扑物态的理解和认识。相关研究成果以“Coupled Electronic and Magnonic Topological States in Two-Dimensional Ferromagnets”为题发表在国际期刊ACS Nano上。论文第一作者为2023级博士生白英希，牛成旺教授、戴瑛教授以及江苏大学的张礼川教授为共同通讯作者，山东大学为第一作者单位。
进展二：在二维材料中，层的出现划分了实空间，成为一个新自由度，探索拓扑态与层自由度的耦合，实现对其非易失性控制，成为了一个有潜力的研究方向。近期许多二维材料被发现具有铁电性或铁磁性，同时具备多种铁性序的多铁材料不仅存在可逆的电极化切换特性，而且能与铁磁性耦合，在器件应用中发挥关键作用。特别是具备垂直电极化的二维铁电材料，为研究拓扑态与层自由度之间的相互作用提供了一个有前景的研究平台。戴瑛教授团队从理论上预测在二维铁电材料H'-Co2XF2（X=C, N）中，存在二阶拓扑绝缘体相和层极化的角态。H'-Co2XF2中内在铁电性建立了拓扑边界态与层自由度之间的耦合，允许通过铁电极化反转来操纵不同层中二阶角态的空间分布，即实现了角态的层选择性。这一发现揭示了铁电与拓扑之间的强耦合现象，对自旋电子学和铁电器件的潜在应用具有重要意义。相关研究成果以“Layer-coupled corner states in two-dimensional topological multiferroics”为题发表在国际期刊Materials Horizons上。论文第一作者为2021级博士生李润晗，牛成旺教授和戴瑛教授为共同通讯作者，山东大学为唯一作者单位。
进展三：近年来轨道电子学成为了凝聚态物理领域的研究热点，展现出新奇的物理特性。戴瑛教授团队构建了轨道霍尔效应与二维磁性拓扑物态之间的耦合，提出基于拓扑相变引起的能带反转，改变绝缘体的轨道角动量分布，从而实现轨道霍尔效应的调制，并在二维磁性材料RuBrCl与MnBi2Te4中进行了验证。该工作提供了一种稳定的方法来调控二维铁磁体的轨道霍尔效应及非平衡的轨道性质，对轨道电子学器件的设计与应用具有重要意义。相关研究成果以“Topology-Engineered Orbital Hall Effect in Two-Dimensional Ferromagnets”为题发表在国际期刊Nano Letters上。论文第一作者为物理学院2022级硕士生陈之祺，牛成旺教授和戴瑛教授为共同通讯作者，山东大学为唯一作者单位。
进展四：Floquet工程在材料科学领域引起了广泛的研究兴趣。光与物质的强相互作用开辟了操纵对称性和电子属性的新途径，显示出巨大的应用前景。戴瑛教授团队通过Floquet工程对轨道霍尔效应的调控进行研究，揭示了伴随着谷极化现象的拓扑相变。结合紧束缚模型和第一性原理计算，团队展示了圆偏振光能驱动二维铁磁材料实现从二阶拓扑绝缘体到量子反常霍尔绝缘体，再到平庸绝缘体的多重拓扑相变，并且相反手性的圆偏振光照射能够激发出具有相反陈数的量子反常霍尔效应，为拓扑材料体系中轨道霍尔效应的调控提供了可能性。相关研究成果以“Floquet engineering of orbital Hall effect and valleytronics in two-dimensional topological magnets”为题发表在国际期刊Materials Horizons上。论文第一作者为2021级博士生李润晗，牛成旺教授和戴瑛教授为共同通讯作者，山东大学为唯一作者单位。
以上工作得到了晶体材料国家重点实验室、国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东省泰山学者计划和山东大学齐鲁学者计划等项目的支持。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c03529
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/mh/d3mh01266b
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c05129
https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2024/mh/d4mh00237g
