[論文レビュー] Quantum spin Hall effect and topological phase transitions in honeycomb antiferromagnets

Chengwang Niu, Jan-Philipp Hanke+5 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2017

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、時間反転および空間反転対称性（$\mathcal{P}\mathcal{T}$）の組み合わせによって保護される二次元ヘキサゴナル反強磁性体において、量子スピンホール（QSH）効果を予測している。関数化スニペット薄膜（X-Sn、X = H, F, Cl, Br, I）は実験的に実現可能な候補である。顕著な点として、引張ひずみが反強磁性秩序から強磁性秩序への磁気的転移を誘発し、それに伴いQSHから量子異常ホール（QAH）相へのトポロジカル相転移が生じることを示している。この現象は、量子化されたスピンおよび異常ホール伝導度と保護されたエッジ状態によって裏付けられている。

ABSTRACT

While the quantum spin Hall (QSH) effect and antiferromagnetic order constitute two of the most promising phenomena for embedding basic spintronic concepts into future technologies, almost all of the QSH insulators known to date are non-magnetic. Here, based on tight-binding arguments and first-principles theory, we predict two-dimensional antiferromagnets with honeycomb lattice structure to exhibit the QSH effect due to the combined symmetry of time reversal and spatial inversion. We identify functionalized Sn films as experimentally feasible examples which reveal large band gaps rendering these systems ideal for energy efficient spintronics applications. Remarkably, we discover that tensile strain can tune the magnetic order in these materials, accompanied by a topological phase transition from the QSH to the quantum anomalous Hall phase.

研究の動機と目的

• 磁気秩序があるにもかかわらず、量子スピンホール（QSH）効果を示す二次元ヘキサゴナル反強磁性体を同定すること。
• 特にひずみを加えた場合に、反強磁性系における磁気秩序とトポロジーの相乗作用を調査すること。
• ひずみ誘起磁気的転移によってトポロジカル相転移を制御可能な実験的実現可能な材料を同定すること。
• 異なるひずみ条件下で、同一の材料系においてQSHおよびQAH相が共存することを示すこと。
• 非磁性および磁性絶縁体において、可変なトポロジカル相を実現することで、反強磁性トポロジカルスピントロニクスの基盤を提供すること。

提案手法

• ヘキサゴナル格子上にスピン軌道相互作用（$\lambda_{SO}$）および反強磁性交換相互作用（$\lambda_{EX}$）を含む四バンドタイトバンドモデルを用いる。
• 関数化スニペット薄膜（X-Sn、X = H, F, Cl, Br, I）をモデル化するために、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を実施する。
• 引張ひずみを適用して、反強磁性から強磁性秩序への磁気基底状態のチューニングを実施する。
• トポロジカル不変量および相転移の同定のため、スピンおよび異常ホール伝導度を計算する。
• ヘリカル（QSH）およびキラル（QAH）特性を確認するため、ジグザグナノリブンのエッジ状態を分析する。
• Berry曲率および運動量空間積分を計算して、量子化された異常ホール伝導度を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間反転および空間反転対称性（$\mathcal{P}\mathcal{T}$）によって保護される二次元ヘキサゴナル反強磁性体において、量子スピンホール効果を実現できるか？
• RQ2 引張ひずみが関数化スニペット薄膜における磁気秩序およびトポロジカル特性に与える影響は何か？
• RQ3 これらの材料において、ひずみ誘起磁気的転移に伴い、QSHからQAH相へのトポロジカル相転移が生じるか？
• RQ4 軌道混合およびスピン極化が、ひずみを加えた強磁性状態におけるQAH相の実現に果たす役割は何か？
• RQ5 ジグザグリブンのエッジ状態は、ヘリカル（QSH）およびキラル（QAH）トポロジカル相を区別できるか？

主な発見

• 関数化スニペット薄膜（X-Sn）は最大271 meVの大きなバンドギャップを示し、特にI-Snは259 meVのギャップを示す。これにより、室温でのスピントロニクス応用が可能である。
• 5%の引張ひずみがI-Snにおいて反強磁性秩序から強磁性秩序への転移を誘発し、臨界エネルギー差 $\Delta E_c = 93$ meV を示す。
• ひずみを加えた強磁性状態におけるI-Snは、量子化された異常ホール伝導度 $\sigma_{xy}^A = e^2/(2\pi h)$ を示し、QAH相であることを確認している。
• ひずみを加えた強磁性状態においてもスピンホール伝導度は $e/(4\pi)$ で量子化されており、QSHおよびQAH相の共存を示している。
• エッジ状態の分析により、非ひずみ反強磁性H-Sn（QSH相）ではヘリカルエッジ状態が確認され、ひずみを加えたI-Sn（QAH相）ではキラルエッジ状態が確認された。
• H-Snを除くすべてのX-Sn化合物において、QSHからQAHへのトポロジカル相転移が観察されたが、H-Snはひずみを加えると金属的になる。