导读
二维磁性材料结合磁性与拓扑特性，为研究新型量子现象提供了理想平台，并且在低功耗自旋电子器件中具有重要应用价值。本文揭示了二维铁磁单层材料中，通过旋转对称性C3的关联，既能实现电子二阶拓扑绝缘体（SOTI），又能展现拓扑磁振子绝缘体（TMI）特性。这一发现不仅丰富了磁性材料中的拓扑物态，还为设计多功能拓扑量子器件提供了新的可能性。
图1 图文摘要
近年来，二维磁性材料因其在自旋电子学与拓扑物理领域的潜在应用而迅速成为研究焦点。特别是二维范德华铁磁体的成功合成，为深入探索磁性系统中的非平凡拓扑态提供了一个全新的平台。在这一背景下，CrBr3单层作为典型的二维铁磁绝缘体，凭借其独特的自旋动力学、磁光效应以及磁声子耦合特性，吸引了广泛的关注与研究。然而，其潜在的拓扑特性尚未得到充分研究。本研究系统性地探讨了CrBr3与TiBr3单层的拓扑性质，并揭示了它们作为二维SOTI和TMI材料的原理。
通过对CrBr3单层能带结构和拓扑指标的计算，我们发现该材料展现出二阶拓扑绝缘态。尽管其体带结构因缺乏自旋轨道耦合导致的能带反转而被视为一阶拓扑平庸态，但边缘态与角态分析却揭示了CrBr3单层呈现出浮动的边缘态与高度局域化的角态，这表明了它是一个二维二阶拓扑绝缘体。并且它的拓扑特性也通过二阶Stiefel-Whitney数得到了进一步的验证。
另一方面，CrBr3单层也呈现出非平庸的拓扑磁振子性质。借助Heisenberg-DM模型，研究发现次近邻Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）能够诱发磁振子带隙的形成，进而产生非平凡的拓扑态。手性边缘态的计算结果进一步表明，CrBr3单层是一种拓扑磁振子绝缘体（TMI），其Chern数C = 1。值得一提的是，CrBr3单层在低温条件下展现出显著的热霍尔效应，其热霍尔导率达8×10⁻¹² W/K，为实验验证其拓扑磁振子态提供了切实可行的方法。
TiBr3单层相较于CrBr3在晶体对称性与电子结构上呈现出显著的差异。但是它也可以实现费米子和玻色子的非平凡拓扑态，这进一步证明了在一种二维磁体中获得这两类拓扑性质的普适性。
总结与展望
本研究的价值在于揭示了二维磁性材料中电子与磁振子拓扑态原理，为探索高阶拓扑效应及其实际应用提供了全新视角。CrBr3和TiBr3单层展现的热霍尔效应和拓扑保护特性，不仅为低功耗自旋电子学器件与拓扑量子计算奠定了理论基础，也拓宽了二维拓扑材料的研究范畴。这些材料未来可能用于更节能的电子设备或量子计算机。然而，理论与实际应用之间仍存在挑战，例如如何将理论模型扩展到更复杂的体系，确保材料特性在不同温度、压力及外场条件下的稳定性，以及如何在宏观尺度上集成这些二维材料的特性以实现功能化。这些挑战为后续研究提供了方向。
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原文链接：https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-mater.2024.100109
本文内容来自The Innovation 姊妹刊The Innovation Materials第3卷第1期发表的 Report 文章“Experimentally feasible CrBr3 monolayer: Electronic and magnonic topological states correlated with rotation symmetry” (投稿: 2024-08-11；接收: 2024-12-02；在线刊出: 2024-12-11)。
DOI：10.59717/j.xinn-mater.2024.100109
引用格式：
Zou X., Bai Y., Dai Y., et al. (2025). Experimentally feasible CrBr3 monolayer: Electronic and magnonic topological states correlated with rotation symmetry. The Innovation Materials 3: 100109.
作者简介
戴 瑛 山东大学教授、博士生导师，泰山学者特聘教授，国务院特殊津贴专家。主要从事功能材料电子结构与调控研究，涵盖光（电）催化、自旋电子学、拓扑绝缘体及二维材料等领域。主持国家973项目和多项国家自然科学基金课题，在Phys. Rev. Lett.、Nature Commun.等期刊发表论文，SCI引用4.4万次，H因子107，ESI高被引论文约20篇，2018-2023连续入选全球“高被引科学家”。出版专著《Calculations and Simulations of Low-Dimensional Materials》，获教育部和山东省自然科学二等奖4项，兼任中国物理学会凝聚态理论与统计物理专业委员会委员等职务。
牛成旺 山东大学物理学院教授、博士生导师，泰山学者青年专家，山东大学齐鲁青年学者。2013年获山东大学博士学位，曾在德国于利希研究中心从事博士后研究。主要研究量子材料的晶体设计、电子结构调控及拓扑态，涉及磁性拓扑绝缘体、拓扑晶体绝缘体、高阶拓扑绝缘体、拓扑磁振子、轨道霍尔效应等方向。在Phys. Rev. Lett.、Nat. Commun.等期刊发表SCI论文70余篇，参与撰写WILEY专著，多项预言材料获实验验证。
