(Mn$_{1-x}$Pb$_x$)Bi$_2$Te$_4$ 中的磁稀释效应与拓扑相变

作为首个本征反铁磁（AFM）拓扑绝缘体（TI），MnBi$_2$Te$_4$ 为实现由磁性与能带拓扑相互作用产生的各种新兴现象提供了材料平台。本文通过 X 射线、电输运、磁强计与中子测量、化学分析、外压及第一性原理计算研究 (Mn$_{1-x}$Pb$_x$)Bi$_2$Te$_4$ $(0\leq x \leq 0.82)$ 单晶，揭示了磁稀释效应对 MnBi$_2$Te$_4$ 中磁性与能带拓扑的影响。随 $x$ 增大，晶格参数 $a$ 与 $c$ 均线性膨胀约 2%。所有样品均经历顺磁到 A 型反铁磁转变，奈尔温度从 $x=0$ 时的 24 K 线性降至 $x=0.82$ 时的 2 K。对 $x=0.37$ 样品的中子数据精修表明，有序磁矩在 4.85 K 时为 4.3(1)$\mu_B$/Mn，且 Mn$_{\rm{Bi}}$ 反位数量在误差范围内可忽略。等温磁化数据显示层间平面-平面反铁磁交换相互作用略有减弱，磁各向异性单调减小，归因于磁性离子稀释与晶胞增大。对 $x=0.37$，外压增强了层间反铁磁耦合，以 1.4 K/GPa 的速率提升奈尔温度，以 1.8 T/GPa 的速率提升饱和场。此外，第一性原理计算表明两种端元材料 MnBi$_2$Te$_4$ 与 PbBi$_2$Te$_4$ 的能带反转分别发生于 $\Gamma$ 与 $Z$ 点，而在 $x =$ 0.44 与 $x =$ 0.66 时出现两个无隙点，暗示掺杂可能引发拓扑相变。