[論文レビュー] Quantum Anomalous Hall and Valley Quantum Anomalous Hall Effects in Two-Dimensional d0 Orbital XY Monolayers

Kang Wang, Yihui Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、X = K, Rb, Cs; Y = N, P, As, Sb, Bi である2次元d⁰軌道XYアンチスチル（モノレイヤー）を、内在的量子異常ホール効果（QAHE）を示す新規材料群として提案し、特にCsSbでは巨大なスピン分裂を示す特異なバルクQAHEを示す。これらの効果はスピン極化されたp軌道状態と強いスピン軌道結合に起因し、pₓ,ᵧとp_z軌道間のバンド反転が面内ひずみによって誘発されることで、トポロジカル性が調整可能である。

ABSTRACT

We propose a new family of the d0 orbital XY (X = K, Rb, Cs; Y = N, P, As, Sb, Bi) monolayers with abundant and novel topology and valley properties. The KN, RbN, RbP, RbAs, CsP, CsAs, and CsSb monolayers possess remarkable quantum anomalous Hall effect (QAHE). CsSb monolayer also exhibits extraordinary valley QAHE with giant splitting. Moreover, the topological properties of XY monolayers can be effciently tuned by the in-plane strain, owing to the strain-induced band inversion between the px;y and pz orbitals. Our findings suggest that the d0 orbital XY monolayers can be good candidates for promising applications in the spintronics and multifunctional topological-based devices.

研究の動機と目的

• 遷移金属を含まない内在的量子異常ホール効果（QAHE）を示す新規2次元材料の同定。
• 反転対称性が破れたd⁰系においてバルク極化とバルク特有のQAHEが出現するかの探求。
• これらの材料におけるトポロジカル性が面内ひずみによって効率的に調整可能であることを実証。
• p軌道磁性に基づく高温・多機能トポロジカル材料の設計原則の確立。

提案手法

• VASPパッケージを用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算、PBE-GGA汎関数を用いて。
• 500 eVの平面波カットオフとΓ中心のkメッシュ（最適化：15×15×1、自己無撞着計算：24×24×1）の使用。
• ε = (a − a₀)/a₀ × 100% で定義される面内二軸ひずみを用いて、トポロジカル相転移を調査。
• Berry曲率とエッジ状態の計算により、非自明なチャーン数とキラルエッジ輸送の確認。
• ひずみ下でのpₓ,ᵧとp_z軌道間のバンド反転および軌道的性質の分析。
• CsBi, CsSb, CsP, RbBiなど、XYモノレイヤーの体系的検討により、ひずみ調整可能なトポロジカル転移の普遍性の確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 d⁰軌道2次元モノレイヤーは、磁性d/f電子を含まない状態で内在的量子異常ホール効果を示せるか？
• RQ2 p軌道系において非自明なバンドギャップとスピン極化が、バルク選択的輸送を引き起こすか？
• RQ3 面内ひずみが、これらのd⁰系において、自明な絶縁体から量子異常ホール絶縁体へのトポロジカル相転移を誘発できるか？
• RQ4 CsSbのような材料における巨大バルクスピン分裂を可能にするスピン軌道結合と軌道混合の役割は何か？
• RQ5 ひずみ誘発バンド反転メカニズムはXYモノレイヤー全般に普遍的か？

主な発見

• KN, RbN, RbP, RbAs, CsP, CsAs, およびCsSbモノレイヤーは、非自明なチャーン数を示す頑健な量子異常ホール効果を示す。
• CsSbモノレイヤーは、巨大なバルクスピン分裂を示す特異なバルク量子異常ホール効果を示す。
• Yの原子番号が増加するにつれ、K’点におけるバンドギャップが減少し、CsSbでゼロに達する。これはトポロジカル相転移点を示している。
• CsBiでは、6%の圧縮ひずみでバンドギャップが閉じ、ひずみ誘発バンド反転により、自明な絶縁体からQAHIへの転移が発生する。
• 面内圧縮ひずみはpₓ,ᵧとp_z軌道間のバンド反転を誘発し、トポロジカル相転移を可能にするが、引張ひずみではその効果がない。
• ひずみ調整可能なバンド反転メカニズムは、CsSb, CsP, CsBi, RbBiを含むXYモノレイヤー全般に普遍的である。