《Nature》：磁拓扑材料的高通量计算！

固有磁性拓扑材料的发现，包括具有较大反常霍尔效应的半金属和轴子绝缘体，主导了固态材料的基础研究。拓扑量子化学使对顺磁拓扑材料的理解和研究成为可能。近日，来自德国柏林自由大学 & 美国普林斯顿大学的B. Andrei Bernevig等研究者，利用磁拓扑量子化学(MTQC)获得的磁拓扑指数，根据第一性原理计算对磁拓扑材料进行高通量搜索。相关论文以题为“High-throughput calculations of magnetic topological materials”发表在Nature上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2837-0

在过去的二十年中，非磁性拓扑材料一直主导着拓扑物理。这一领域的研究导致了一系列理论和实验上的迅速发现；著名的例子包括二维和三维空间拓扑绝缘子的理论预测，拓扑晶体绝缘子，Dirac和Weyl半金属，和非对称拓扑绝缘子和半金属。虽然拓扑材料一度被认为是罕见和深奥的，但最近在非磁性拓扑材料方面的进展发现拓扑绝缘子和强制半金属比最初认为的要普遍得多。

2017年，拓扑量子化学和基于对称指标的等效方法提供了在实空间和动量空间中所有非磁对称群中所有可能的原子极限带结构的普遍全局性质描述。这允许对非磁性、非平凡(拓扑)带结构进行分类，使用高通量方法改变了我们对自然出现的拓扑材料数量的理解。大约40%-50%的非磁性材料可以在费米级归类为拓扑材料，提供了拓扑材料的“周期表”。

由于众多的挑战，这些在非磁性材料上的突破还没有在磁性化合物上取得类似的进展。

• 首先，虽然最近引入了一种对1651个磁性和非磁性空间群的带拓扑进行分类的方法，目前还没有类似于拓扑量子化学的理论或等效方法将文献中的指标群与拓扑(异常)表面(和铰链)状态联系起来。

• 其次，磁共表示和相容关系的完整分类尚未表列出来。

• 第三，从从头算带结构计算磁共表示的代码不存在。

• 第四，即使上述所有条件都可用，磁化合物的从头计算对于铁磁体以外的复杂磁性结构来说，也是出了名的不准确。具体地说，除非材料的磁性结构是预先知道的，否则从头计算很可能收敛于令人误解的基态。这意味着精确预测的磁拓扑材料的数量少于10个。

在这项工作中，研究者以毕尔巴鄂晶体学服务器上的磁性材料数据库为起点，该数据库包含了从中子散射实验中推导出的超过549种磁性化合物，对这些磁结构进行了全局部密度近似(LDA)哈伯德U计算，从而确定了130中增强半金属(对其带交叉隐含对称特征值)和拓扑绝缘子。研究者预测了实际材料中几种新的磁拓扑相，包括带铰链弧的高阶磁Dirac半金属，长费米弧的磁性手性晶体，节点与时间反演对称无关的狄拉克半金属，非共线抗铁磁体中的韦尔点和节点线，以及具有间隙表面状态和手性铰链模式的理想轴子绝缘子。

图1 MTQC预测的“高质量”磁性拓扑材料的能带结构。

图2 典型磁拓扑绝缘子和增强半金属相的拓扑表面状态。

综上所述，研究者利用MTQC装置对现有的549种磁结构进行了LDA + U计算，并对403种磁结构进行了分类。当扫描U参数时，研究者发现130种材料(约占总数的32%)具有拓扑相。结果表明，大量先前合成的磁性材料在拓扑结构上是非平凡的。与此同时，研究者强调了一些“高质量”的磁性拓扑材料，应该通过实验来检验它们的拓扑响应效应和表面(和铰链)状态。（文：水生）