Quantum states of matter combining non-trivial topology and magnetism attract a lot of attention nowadays; the special focus is on magnetic topological insulators (MTIs) featuring quantum anomalous Hall and axion insulator phases. Feasibility of many novel phenomena that \emph{intrinsic} magnetic TIs may host depends crucially on our ability to engineer and efficiently tune their electronic and magnetic structures. Here, using angle- and spin-resolved photoemission spectroscopy along with \emph{ab initio} calculations we report on a large family of intrinsic magnetic TIs in the homologous series of the van der Waals compounds (MnBi$_2$Te$_4$)(Bi$_2$Te$_3$)$_m$ with $m=0, ..., 6$. Magnetic, electronic and, consequently, topological properties of these materials depend strongly on the $m$ value and are thus highly tunable. The antiferromagnetic (AFM) coupling between the neighboring Mn layers strongly weakens on moving from MnBi2Te4 (m=0) to MnBi4Te7 (m=1), changes to ferromagnetic (FM) one in MnBi6Te10 (m=2) and disappears with further increase in m. In this way, the AFM and FM TI states are respectively realized in the $m=0,1$ and $m=2$ cases, while for $m \ge 3$ a novel and hitherto-unknown topologically-nontrivial phase arises, in which below the corresponding critical temperature the magnetizations of the non-interacting 2D ferromagnets, formed by the \MBT\, building blocks, are disordered along the third direction. The variety of intrinsic magnetic TI phases in (MnBi$_2$Te$_4$)(Bi$_2$Te$_3$)$_m$ allows efficient engineering of functional van der Waals heterostructures for topological quantum computation, as well as antiferromagnetic and 2D spintronics.

Terahertz spectrometer up to 110 m single-pass measurement trace was realized by room-temperature GaSe:S down-converter operating at 0.2-0.6 THz range with 0.1 cm -1 high resolution. Ab-initio measurements were carried out in the real atmosphere.

Материалы MnBi2Te4, Mn(Bi,Sb)2Te4 и MnBi2Te4(Bi2Te3)m (где m ≥ 1) относятся к классу магнитных топологических изоляторов. Для успешного применения данных материалов в устройствах наноэлектроники необходимо всестороннее изучение их электронной структуры и магнитных свойств в зависимости от соотношения атомов Bi/Sb и количества (m) блоков Bi2Te3. Изучались магнитные свойства поверхности соединений MnBi2Te4, MnBi4Te7 и Mn(Bi1–xSbx)2Te4 (где x = 0.43, 0.32) при помощи магнитооптического эффекта Керра. Показано, что температуры магнитных переходов на поверхности и в объеме MnBi4Te7 и Mn(Bi,Sb)2Te4 существенно различаются.

The experimental efficiency has been a central concern for time-consuming experiments. Spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy (spin-resolved ARPES) is renowned for its inefficiency in spin-detection, despite its outstanding capability to directly determine the spin-polarized electronic properties of materials. Here, we investigate the potential enhancement of the efficiency of spin-resolved ARPES experiments through the integration of measurement informatics. We focus on a representative topological insulator

Using angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) and density functional theory (DFT), an experimental and theoretical study of changes in the electronic structure (dispersion dependencies) and corresponding modification of the energy band gap at the Dirac point (DP) for topological insulator (TI) $$\textrm{Mn}_{1-x} \textrm{Ge}_x \textrm{Bi}_2 \textrm{Te}_4$$ have been carried out with gradual replacement of magnetic Mn atoms by non-magnetic Ge atoms when concentration of the latter was varied from 10% to 75%. It was shown that when Ge concentration increases, the bulk band gap decreases and reaches zero plateau in the concentration range of 45–60% while trivial surface states (TrSS) are present and exhibit an energy splitting of 100 and 70 meV in different types of measurements. It was also shown that TSS disappear from the measured band dispersions at a Ge concentration of about 40%. DFT calculations of $$\textrm{Mn}_{1-x} \textrm{Ge}_x \textrm{Bi}_2 \textrm{Te}_4$$ band structure were carried out to identify the nature of observed band dispersion features and to analyze the possibility of magnetic Weyl semimetal state formation in this system. These calculations were performed for both antiferromagnetic (AFM) and ferromagnetic (FM) ordering types while the spin-orbit coupling (SOC) strength was varied or a strain (compression or tension) along the c-axis was applied. Calculations show that two different series of topological phase transitions (TPTs) may be implemented in this system, depending on the magnetic ordering. In the case of AFM ordering, the transition between TI and the trivial insulator phase passes through the Dirac semimetal state, whereas for FM phase such route admits three intermediate states instead of one (TI—Dirac semimetal—Weyl semimetal—Dirac semimetal—trivial insulator). Weyl points that form in the FM system along the $$\varGamma \!Z$$ direction annihilate when either the SOC strength decreases or a sufficient tensile strain is applied, which is accompanied by the corresponding TPTs. Model calculations of the influence of local magnetic ordering in AFM $$\textrm{Mn}_{1-x} \textrm{Ge}_x \textrm{Bi}_2 \textrm{Te}_4$$ were carried out by alternating Mn layers with Ge-doped layers and showed that the magnetic Weyl semimetal state in this system is reachable at a Ge concentration of approximately 40% without application of any external magnetic fields.