【摘 要】
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研究新物态的特性、相变与应用是凝聚态物理当前的主要研究内容。拓扑绝缘体是一种体内绝缘但表面导电的新型量子态,具有被时间反演对称性保护的非平庸表面/边缘态。它的发现颠覆了人们用对称性或某种局域序参量来描述物态的观念,拓扑量子态可以用拓扑不变量来描述。如拓扑绝缘体可以用Z2不变量标记,其在二维和三维体系中均可实现。拓扑绝缘体中磁性的引入可以实现量子反常霍尔效应等新奇量子现象,为低能耗自旋电子学器件的设
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研究新物态的特性、相变与应用是凝聚态物理当前的主要研究内容。拓扑绝缘体是一种体内绝缘但表面导电的新型量子态,具有被时间反演对称性保护的非平庸表面/边缘态。它的发现颠覆了人们用对称性或某种局域序参量来描述物态的观念,拓扑量子态可以用拓扑不变量来描述。如拓扑绝缘体可以用Z2不变量标记,其在二维和三维体系中均可实现。拓扑绝缘体中磁性的引入可以实现量子反常霍尔效应等新奇量子现象,为低能耗自旋电子学器件的设计与应用提供了新视野,磁性拓扑物态也成为了当前凝聚态物理和材料科学等领域的研究热点。与铁磁体相比,反铁磁体在自旋电子器件的应用方面具有几个关键的优势,如更高的稳定性和更快的运行速度。最近几年,人们对三维反铁磁拓扑绝缘体的相关探索有重大进展,但三维反铁磁拓扑绝缘体的概念和性质并不能平庸地推广到二维体系,人们对二维反铁磁拓扑绝缘体的认识还非常有限,亟需进一步去探索和研究。本论文中我们系统的研究了二维材料NaMnBi quintuple layer（QL）的电子性质、磁学性质以及拓扑物性。论文一共分为四个章节。第一章介绍了自旋电子学器件、二维材料中的新兴拓扑量子态。第二章主要介绍有关第一性原理计算的理论基础与若干第一性原理软件包,其中理论基础有第一性原理计算的近似方法和最大局域化瓦尼尔函数的构造,近似方法包括绝热近似、Hartree-Fock自洽场方法和交换关联泛函近似。第三章是本论文的重点,主要介绍了二维本征反铁磁绝缘体NaMnBi QL的物性调控,包括电子性质调控和拓扑物性调控。此外还对磁有序与拓扑物性的复杂相互作用和影响进行了探讨和研究。第四章介绍了磁方向和薄膜厚度对2D NaMnBi QL的电子及拓扑性质的影响。最后对论文的研究内容做了总结并对未来相关领域的研究进行了展望。本论文的主要研究内容和创新点如下:（1）理论预测了一种本征的二维反铁磁绝缘体NaMnBi QL。其剥离能为44.1 meV?-2,声子谱和动力学模拟也证明了 NaMnBi QL的动力学和热力学稳定性。奈尔温度高达530 K,显示出室温应用的可行性。由于它在二维极限下磁序依旧没有被打破,二维NaMnBi QL提供了一个探索、理解和调控低维磁结构和拓扑量子态的多功能研究平台。（2）在0.58%的小压缩应变下,二维本征反铁磁绝缘体NaMnBi QL发生了从平庸（trivial）绝缘体到反铁磁拓扑绝缘体的拓扑相变。在Γ点可实现d-d轨道的能带反转。自旋霍尔电导、自旋陈数Cs以及瓦尼尔电荷中心（Wannier charge center）的计算均表明拓扑相变后NaMnBi QL具有非零的拓扑不变量,即Cs=1和Z2=1。除此之外,体系还具有一对无带隙边缘态。（3）研究了 2%应力下不同磁方向的NaMnBi QL的拓扑性质,发现尽管磁方向有变化,但是二维反铁磁拓扑绝缘体相依旧保持不变,即非平庸拓扑对磁化方向具有高鲁棒性。我们深入分析了产生这些现象的理论机理,为实验研究提供了一定的借鉴意义。
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