[論文レビュー] Berry curvature switch and magneto-electric effect in WTe$_2$ monolayer

Shi Li-kun, Justin C. W. Song|arXiv (Cornell University)|May 2, 2018

Topological Materials and Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、垂直方向の電場下における非対称構造と反転対称性の破れにより、モノレイヤー 1T'-WTe₂ が電気的に制御可能なバルクベリー曲率および磁気モーメントを示すと提案している。この系はベリー曲率および磁化においてスイッチ型の応答を示し、ゲートで制御可能な量子異常ゼーマンホール電流と運動的磁気電気効果を可能にし、低対称性 2D 材料における量子幾何およびスピントロニクス現象の全電気的制御の可能性を示している。

ABSTRACT

We argue that monolayer 1T'-WTe$_2$ possesses an electrically tunable bulk band quantum geometry (e.g., Berry curvature). In particular we find that, due to its asymmetric structure, an applied out-of-plane electric field breaks inversion symmetry to induce both Rashba as well as Zeeman spin-orbit coupling. These in turn enable a bulk band Berry curvature and magnetic moment distribution to develop. Strikingly, Berry curvature and magnetic moment exhibit a sharp switch-like behavior saturating to an intrinsic value when in-plane inversion symmetry breaking is strong. Due to its low symmetry, Berry curvature and magnetic moment in 1T'-WTe$_2$ possess a dipole-like distribution. These manifest as (gate-tunable) quantum non-linear anomalous Hall currents and current induced magnetization (kinetic magneto-electric effect) respectively --- a hallmark of the particularly low symmetry of 1T'-WTe$_2$. Taken together these render it a rich two-dimensional platform for all-electrical control over quantum geometric effects as well as spin/magnetic texture.

研究の動機と目的

• モノレイヤー 1T'-WTe₂ における低対称性結晶構造のおかげで生じる電気的に制御可能な量子幾何効果の出現を調査すること。
• 垂直方向の電場による反転対称性の破れがラシュバおよびゼーマン型スピン軌道結合を誘発する仕組みを理解すること。
• 外部磁場が存在しない状況におけるバルクベリー曲率および磁気モーメント分布の発展を調査すること。
• 量子幾何および磁気的性質におけるスイッチ型でゲートで制御可能な応答の存在を示すこと。
• 1T'-WTe₂ が、異常ホール電流および運動的磁気電気効果の全電気的制御のためのプラットフォームとして確立されること。

提案手法

• 外部電場下でのモノレイヤー 1T'-WTe₂ のバンド構造および量子幾何をモデル化するため、第一原理電子状態計算を用いる。
• 反転対称性の破れがスピン軌道結合に与える影響を分析し、特にラシュバおよびゼーマン型項の出現を特定する。
• ブロッホ波関数からベリー曲率分布を計算し、非自明な量子幾何的応答を定量化する。
• ベリー曲率に起因する磁気モーメント分布を評価し、低対称性のための双極子的特徴を示す。
• ベリー曲率およびスピンテクスチャから量子異常ホール電流および運動的磁気電気効果を導出する。
• ゲート電圧を印けて電場を制御し、ベリー曲率および磁化のスイッチ型飽和を観測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 垂直方向の電場がモノレイヤー 1T'-WTe₂ のベリー曲率にスイッチ型応答を誘発するメカニズムは何か？
• RQ2 1T'相の低対称性が、ベリー曲率および磁気モーメントの双極子的分布をどのように規定しているか？
• RQ3 1T'-WTe₂ におけるラシュバおよびゼーマン型スピン軌道結合の相互作用が、外部磁場が存在しない状況で可変なバルク磁気モーメントを生成できるか？
• RQ4 この系において、ゲート電圧による量子異常ホール電流の制御はどの程度可能か？
• RQ5 モノレイヤー 1T'-WTe₂ における量子幾何的応答から、運動的磁気電気効果はどのように発現するか？

主な発見

• 垂直方向の電場がモノレイヤー 1T'-WTe₂ における反転対称性を破り、ラシュバおよびゼーマン型スピン軌道結合を誘発する。
• その結果生じるスピン軌道結合により、非ゼロのバルクベリー曲率が生成され、強い面内反転対称性の破れ下で固有の値に飽和する。
• ベリー曲率および磁気モーメントは、電場の関数として急激なスイッチ型の挙動を示し、強い可変性を示している。
• 1T'-WTe₂ の低対称性は、ベリー曲率および磁気モーメントの双極子的分布を生じさせ、高対称性系とは明確に異なる。
• 電場で制御可能なベリー曲率のおかげで、ゲートで制御可能な非線形量子異常ホール電流が実現される。
• 運動的磁気電気効果が発現し、電流が可変な磁化を誘導する。これにより、スピンおよび磁気テクスチャの全電気的制御が実現されている。