轴子绝缘体是一种新奇的拓扑物态，因为具有对称性保护的量子化轴子场，其内部存在额外的电磁耦合项，能够产生独特的拓扑磁电效应。此外，轴子绝缘体的上下表面陈数互为相反数且均为半整数，这使得其铰链上允许手性相反的半个整数量子化电流通过。由于这些独特的性质，轴子绝缘体在层电子学、传感器设计等领域拥有重要的潜在应用价值，因而备受学术界和工业界的广泛关注。

在凝聚态物理中，轴子绝缘体通常通过定义在自旋二分之一基矢上的有效模型进行描述。近日，复旦大学江华教授、谢心澄院士和南开大学栗宇航副教授合作，提出了一种定义在大自旋基矢下的高自旋轴子绝缘体态。研究团队通过一系列精密计算和模拟，发现这种高自旋轴子绝缘体具有显著增强的轴子场，并且该轴子场的大小可以通过外磁场进行调节。

为了深入研究高自旋轴子绝缘体的性质，研究团队进行了层分辨陈数、拓扑磁电效应和轴子场的详细计算，从不同角度独立地确认了这种增强的轴子场，并且给出了该轴子场和自旋之间的定量关系。结果表明，这种增强的轴子场主要来源于表面瓦尼尔函数的贡献，而体态轴子场仍然保持量子化。此外，研究团队指出，尽管高自旋轴子绝缘体具有量子化的表面陈数，但并不存在表面态，因此不遵循传统的体边对应关系。这一发现对理解拓扑物态的基本原理具有重要意义。

在实验方面，研究团队提出，高自旋轴子绝缘体可以通过拓扑磁电效应或铰链上量子化的电导来证实其存在。这一研究成果不仅拓展了人们对轴子绝缘体的理解，也为其未来在实际材料中的应用提供了新的可能性。

近日，相关研究成果以《高自旋轴子绝缘体》（High spin axion insulator）为题在线发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。苏州大学李帅博士为该文章的第一作者，南开大学栗宇航副教授和复旦大学江华教授为通讯作者，合作团队还包括北京大学量子材料科学中心的宫明博士。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

文章链接：Li, S., Gong, M., Li, YH. et al. High spin axion insulator. Nat Commun 15, 4250 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48542-4 

图：a高自旋轴子绝缘体模型示意图，上下表面黄色区域表示自旋方向反平行的磁性绝缘体、中间蓝色区域表示定义在大自旋基矢下的拓扑绝缘体。其中表示存在面内方向外磁场时，自旋指向和z方向的夹角。b 轴子场、电场诱导的磁化系数、磁场诱导的电极化系数随着的变化关系。