隶属于FLEET中心的莫纳什大学的研究人员揭示了一种通用方法，可以实现本征磁性二阶拓扑绝缘体。这些材料对于自旋电子学的发展至关重要，自旋电子学是一个新兴领域，旨在利用自旋自由度传递信息。他们的研究发表在《纳米快报》上。
近年来，二维铁磁半导体(例如CrI3、Cr2Ge2Te6和VI3)得到了广泛的研究。这些材料是自旋电子学的基础。拓扑绝缘体是一种具有独特性质的材料，其内部是绝缘的，但边界可以传导电子。
在三维拓扑绝缘体(如Bi2Se3)中，表面存在二维狄拉克费米子。二阶拓扑绝缘体是扩展拓扑绝缘体概念的新概念，它在m维材料中表现出(m-2)维边界态，例如三维材料中的一维铰链态和二维材料中的零维角态。
本征铁磁半导体通常是强关联材料，其特点是电子与电子之间具有强关联。这些相互作用非常明显，以至于相邻原子之间很少有“电子通信”，从而形成一个类似于原子绝缘体、没有拓扑特性的系统。因此，连接这两种状态具有挑战性。
这项研究由赵刘博士和尼基尔·梅德赫卡教授在FLEETTHEME1下领导，找到了一个巧妙的解决方案。他们发现，在某些本征铁磁半导体中，配体阴离子的p轨道和金属阳离子的d轨道可以形成反转轨道顺序。
传统的铁磁半导体具有正常有序的pd轨道，即p轨道的能量比d轨道低得多，因此p轨道共用一个封闭的壳层，作为信使在两个具有开放d壳层的金属阳离子之间“传递”超交换相互作用。
然而，当部分p轨道的能量高于所有d轨道时，就会出现倒置pd轨道。由于p和d轨道具有相反的宇称，因此预计倒置和正常有序pd轨道分别会产生非平凡和平凡的拓扑相。
研究人员利用先进的密度泛函理论计算和波函数对称性分析，将1T-VS2和CrAs单层确定为本征磁性二阶拓扑绝缘体的潜在候选者。1T-VS2具有六方晶格，而CrAs单层具有方晶格。在这两种材料中，自旋向上通道均显示倒置的pd轨道，从而产生非平凡拓扑，而自旋向下通道则具有正常有序的pd轨道和平凡拓扑。
当1T-VS2纳米薄片生长成六边形或三角形，CrAs生长成正方形时，可以用自旋极化扫描隧道显微镜来检测这些仅局限于角落的状态。
“我们的工作可以推广到Kondo绝缘体，其中d和f轨道的作用与这里研究的p和d轨道相似。考虑到拓扑Kondo绝缘体已在该领域得到认可，发现二阶拓扑Kondo绝缘体将是一件令人兴奋的事情，”Medhekar教授说。
更多信息：ZhaoLiu等人，通过倒置p-d轨道实现本征磁性二阶拓扑绝缘
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