[論文レビュー] Intrinsic Quantum Anomalous Hall Effect in the Kagome Lattice Cs2LiMn3F12

Gang Xu, Biao Lian+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2015

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、強磁性秩序とスピン軌道結合を介して、単層Cs2Mn3F12およびCs2LiMn3F12カコミ格子の(001)表面における内在的量子異常ホール(QAH)効果を提案し、約20 meVのトポロジカルバンドギャップを達成した。この効果は、2/3充満度における非自明なチェーンバンドに起因し、第一原理計算および簡略化されたタイトバインディングモデルによって確認され、ランダムドーピングを必要としない高温の内在的QAH状態を実現可能である。

ABSTRACT

In a kagome lattice, the time reversal symmetry can be broken by a staggered magnetic flux emerging from ferromagnetic ordering and intrinsic spin-orbit coupling, leading to several wellseparated nontrivial Chern bands and intrinsic quantum anomalous Hall effect. Based on this idea and ab initio calculations, we propose the realization of the intrinsic quantum anomalous Hall effect in the single layer Cs2Mn3F12 kagome lattice and on the (001) surface of a Cs2LiMn3F12 single crystal by modifying the carrier coverage on it, where the band gap is around 20 meV. Moreover, a simplified tight binding model based on the in-plane ddσantibonding states is constructed to understand the topological band structures of the system.

研究の動機と目的

• Crドーピングされた(Bi,Sb)2Te3のようなドーピング系よりも高い作動温度を示す、ランダムドーピングを必要としない内在的量子異常ホール(QAH)材料の同定を目的とする。
• 特にCs2LiMn3F12を含むカコミ格子材料が、強磁性秩序と強いスピン軌道結合を介して、内在的QAH効果を実現する可能性を探索することを目的とする。
• 表面または単層カコミ格子における2/3充満度が、測定可能なバンドギャップを有するトポロジカルに非自明な絶縁体状態を安定化させることを示すこと。
• 平面内ddσ反結合状態に基づく簡略化されたタイトバインディングモデルを構築し、トポロジカルバンド構造およびチェーン数の量子化を説明すること。

提案手法

• ultrasoft擬ポテンシャルおよびGGA-PBE交換相関関数を用いたBSTATEパッケージを用いた第一原理密度汎関数理論(DFT)計算。
• KおよびK′点におけるディラック点近傍の低エネルギー物理を記述するため、平面内ddσ反結合状態に基づく最小限のタイトバインディングモデルの構築。
• 最大局在化Wannier関数およびグリーン関数技術を用いて、半無限スラブにおけるエッジ状態を計算。
• 表面LiおよびCs原子の修飾を介して表面キャリア濃度を調整し、(001)表面層における2/3充満度を達成。
• スピン軌道結合を含めた磁化モーメントおよびバンド構造の計算により、チェーン数C=1および絶縁ギャップの存在を確認。
• ディラック点近傍の有効ハミルトニアンの分析により、質量項m_soc = 2t2/3を有するハルデーンモデルと同一の形を示し、トポロジカル相転移を支配する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁性ドーピングを必要とせず、内在的スピン軌道結合および強磁性秩序を活用することで、カコミ格子材料において内在的量子異常ホール効果を実現できるか？
• RQ2 Cs2Mn3F12のカコミ格子において、2/3電子充満度がトポロジカルに非自明な絶縁体状態を安定化させる役割を果たすか？
• RQ3 単層強磁性カコミ格子にスピン軌道結合を導入した場合、バンド構造およびチェーン数はどのように変化するか？
• RQ4 表面修飾による表面キャリア濃度の調整によって、Cs2LiMn3F12の(001)表面にQAH効果を設計可能か？
• RQ5 トポロジカル相を支配する低エネルギー有効ハミルトニアンは何か？また、ハルデーンモデルとどのように関係するか？

主な発見

• スピン軌道結合を含む単層Cs2Mn3F12カコミ格子は、約20 meVのトポロジカルバンドギャップを示し、チェーン数C=1を有する内在的QAH絶縁体相であることが確認された。
• 第一原理計算により、SOCを含まない場合、系はギャップレス半金属であるが、スピン軌道結合を導入すると20 meVのギャップが開き、トポロジカル遷移を示すことが判明した。
• Wannier関数を用いたエッジ状態計算により、価電子帯と伝導帯の間に1本のキラルエッジ状態が存在することが判明し、チェーン数C=1に起因するトポロジカル性が確認された。
• Cs2LiMn3F12の(001)表面では、Li/Csの修飾による表面キャリア濃度の調整により2/3充満度が達成され、4 meVの絶縁ギャップとキラルエッジ状態が観測され、表面QAH効果が示された。
• ddσ反結合状態に基づく簡略化されたタイトバインディングモデルは、ディラックコーン構造およびトポロジカル相転移を再現でき、有効ハミルトニアンはハルデーンモデルと一致し、質量項m_soc = 2t2/3を有する。
• 表面における磁化モーメントはMnあたり3.6 μB、バルクでは4.0 μBであり、強い強磁性秩序を示し、表面層は2次元カコミ格子としてQAH効果を支持することが判明した。