[論文レビュー] Quantum spin Hall insulators and quantum valley Hall insulators of BiX/SbX (X = H, F, Cl, and Br) monolayers with a record bulk band gap

Zhigang Song, Cheng‐Cheng Liu+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2014

Topological Materials and Phenomena参考文献 35被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ヘキソゴン格子のKおよびK'の谷におけるp_xおよびp_y軌道からの強いスピン軌道結合に起因する、最大1.08 eVに達する記録的な大きなバルクバンドギャップを示す二酸化物（BiX/SbX、X = H, F, Cl, Br）の2次元トポロジカル絶縁体を提案する。第一原理計算により非自明なZ2トポロジーが確認され、室温でのスピントロニクスおよびバレークトロニクス応用に適した安定な量子スピンホールおよび量子バレークトロニクス状態が予測される。

ABSTRACT

Large bulk band gap is critical for application of the quantum spin Hall (QSH) insulator or two dimensional (2D) topological insulator (TI) in spintronic device operating at room temperature (RT). Based on the first-principles calculations, here we predict a group of 2D topological insulators BiX/SbX (X = H, F, Cl, and Br) monolayers with extraordinarily large bulk gaps from 0.32 to a record value of 1.08 eV. These giant-gaps are entirely due to the result of strong spin-orbit interaction related to px and py orbitals of Bi/Sb atoms around the two valley K and K' of honeycomb lattice, which is different significantly from the one consisted of pz orbital just like in graphene/silicene. The topological characteristic of BiX/SbX monolayers is confirmed by the calculated nontrivial Z2 index and an explicit construction of the low energy effective Hamiltonian in these systems. We show that the honeycomb structures of BiX monolayers remain stable even at a temperature of 600 K. These features make the giant-gap TIs BiX/SbX monolayers an ideal platform to realize many exotic phenomena and fabricate new quantum devices operating at RT. Furthermore, biased BiX/SbX monolayers become a quantum valley Hall insulator, showing valley-selective circular dichroism.

研究の動機と目的

• 室温でのスピントロニクス応用に適した、大きなバルクバンドギャップを有する2次元トポロジカル絶縁体を同定すること。
• 強いスピン軌道結合下におけるBiX/SbX二酸化物（X = H, F, Cl, Br）の電子的およびトポロジカル性質を調査すること。
• これらの系における量子スピンホールおよび量子バレークトロニクス状態の出現を探索すること。
• Z2不変量および有効ハミルトニアンの構築を通じてトポロジカル保護を確認すること。
• 運用条件下でのヘキソゴン構造の熱的安定性を評価すること。

提案手法

• 電子構造およびバンドギャップを決定するために、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を用いた。
• BiX/SbX二酸化物における非自明なトポロジーの確認のため、Z2トポロジカル不変量を計算した。
• ディラック型分散およびスピン軌道結合効果を記述する低エネルギー有効ハミルトニアンを構築した。
• KおよびK'の谷におけるp_xおよびp_y軌道からのスピン軌道結合寄与を分析し、グラフェンのようなp_z支配系とは異なる特徴を明らかにした。
• 外部電場の効果をシミュレートし、量子バレークトロニクス状態およびバレー選択的円二色性の誘起を検討した。
• フォノン分散および分子動力学シミュレーションを実施し、600 Kまでの熱的安定性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BiX/SbX二酸化物は、p軌道における強いスピン軌道結合により、大きなバルクバンドギャップを示すことができるか？
• RQ2 BiX/SbX二酸化物のトポロジカル性質は何か？ また、Z2不変量によって確認されるか？
• RQ3 KおよびK'の谷におけるp_xおよびp_y軌道は、トポロジカルギャップ形成にどのように寄与するか？
• RQ4 外部電場を加えることで、バレー選択的光学応答を示す量子バレークトロニクス状態が誘起されるか？
• RQ5 ヘキソゴン構造のBiX/SbXは、高温条件下でも熱力学的に安定か？

主な発見

• BiX/SbX二酸化物は、0.32 eVから記録的な1.08 eVまでのバルクバンドギャップを示し、グラフェンやシリセン系材料よりも顕著に大きい。
• 大きなバンドギャップは、KおよびK'の谷におけるp_xおよびp_y軌道の強いスピン軌道結合に起因し、p_z軌道とは異なる。
• 非自明なZ2トポロジカル不変量が、これらの材料における量子スピンホール絶縁体相を確認した。
• ディラック型分散およびスピン軌道結合に起因するスピン分裂を捉えることのできる、明示的な低エネルギー有効ハミルトニアンが構築された。
• ヘキソゴン構造は600 Kまで安定であり、高い熱的ロバスト性を示した。
• 外部電場の適用により、バレー選択的円二色性を示す量子バレークトロニクス絶縁体相が誘起された。