Электронная, спиновая структура и магнитные свойства собственных антиферромагнитных топологических изоляторов семейства MnBi$_2$Te$_4$(Bi$_2$Te$_3$)$_{m}$ (Миниобзор)

Магнитные топологические изоляторы (ТИ) являются узкозонными полупроводниковыми материалами, сочетающими нетривиальную зонную структуру и магнитный порядок. В отличие от своих немагнитных аналогов, магнитные ТИ могут иметь запрещенную зону в электронной структуре поверхностных состояний, что делает возможным ряд экзотических явлений, таких как квантовый аномальный эффект Холла и хиральные фермионы Майораны, которые имеют потенциальное применение в спинтронике. До сих пор магнитные ТИ создавались только путем легирования $3d$ элементами переходных металлов (Cr, Co, V, Fe, Mn). Однако такой подход приводит к сильно неоднородным магнитным и электронным свойствам этих материалов, ограничивая наблюдение упомянутых эффектов очень низкими температурами. Собственный магнитный ТИ – стехиометрическое хорошо упорядоченное магнитное соединение – может стать идеальным решением этих проблем. В данном обзоре будут представлены результаты экспериментального изучения электронных и магнитных свойств первого представителя собственного магнитного ТИ – MnBi$_2$Te$_4$, а также семейства подобных ТИ – (MnBi$_2$Te$_4$)(Bi$_2$Te$_3$)$_m$, $m\geq1$, конструируемых из последовательности магнитных блоков (MnBi$_2$Te$_4$), разделенных различным числом $(m)$ немагнитных блоков (Bi$_2$Te$_3$). Влияние магнетизма на электронную структуру сильнее всего проявляется в MnBi$_2$Te$_4$ и спадает с увеличением $m$. Так, MnBi$_2$Te$_4$ имеет антиферромагнитное упорядочение слоев Mn в соседних блоках и температуру магнитного перехода (температуру Нееля) около $24.5$ К. Антиферромагнитный порядок также наблюдается для соединений с $m=1$ и $2$, однако, со значительно меньшей температурой упорядочения, равной $13$ и $11$ К, соответственно. При больших значениях $m$ магнитные блоки MnBi$_2$Te$_4$ практически не взаимодействуют и, по сути, оказываются двумерными магнетиками. Электронная структура топологических поверхностных состояний для данного семейства характеризуется одним конусом Дирака, вид и свойства которого зависят от $m$ и от магнитной/немагнитной терминации при $m\geq1$. В случае магнитной терминации поверхности возможно открытие запрещенной зоны в точке Дирака. Для MnBi$_2$Te$_4$ она максимальна и ожидается на уровне $80$–$90$ мэВ. Однако, экспериментально показана возможность ее изменения в диапазоне практически от $0$ и до $70$ мэВ для разных образцов. На основе расчетов методом теории функционала плотности будут представлены причины подобных отклонений.