[論文レビュー] Realization of quantum anomalous Hall effect from a magnetic Weyl semimetal

Lukas Muechler, Enke Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 65被引用数 23

ひとこと要約

本研究では、磁性ウェイル半金属Co₃Sn₂S₂を二次元に制限することで、量子異常ホール効果（QAHE）を実現する可能性を提案している。有効モデルと物質に特化した計算を用いて、2次元極限がチャーン数3で、0.05 eVの頑健なバンドギャップを有するトポロジカル絶縁体を形成することを示しており、磁性ドーピングされたトポロジカル絶縁体に比べてはるかに高い温度でQAHEを実現可能である。

ABSTRACT

The quantum anomalous Hall effect (QAHE) and magnetic Weyl semimetals (WSMs) are topological states induced by intrinsic magnetic moments and spin-orbital coupling. Their similarity suggests the possibility of achieving the QAHE by dimensional confinement of a magnetic WSM along one direction. In this study, we investigate the emergence of the QAHE in the two dimensional (2D) limit of magnetic WSMs due to finite size effects. We demonstrate the feasibility of this approach with effective models and real materials. To this end, we have chosen the layered magnetic WSM Co$_3$Sn$_2$S$_2$, which features large anomalous Hall conductivity and anomalous Hall angle in its 3D bulk, as our material candidate. In the 2D limit of Co$_3$Sn$_2$S$_2$ two QAHE states exist depending on the 2D layer stoichiometry. One is a semimetal with a Chern number of 6, and the other is an insulator with a Chern number of 3. The latter has a band gap of 0.05 eV, which is much larger than that in magnetically doped topological insulators. Since intrinsic ferromagnets normally have a higher magnetic ordering temperature than dilute magnetic semiconductors, the QAHE obtained from this WSM should be stable to a higher temperature. This temperature stability is one of the most important parameters for further applications of the QAHE.

研究の動機と目的

• 磁性ウェイル半金属（WSM）の次元制限による量子異常ホール効果（QAHE）の実現可能性を検討すること。
• 2次元極限におけるWSMが、高熱安定性を有する量子化されたホール効果を支持する材料候補を同定すること。
• 層状磁性WSMにおける有限サイズ効果が、トポロジカル的に非自明な絶縁体状態をもたらす要因となるかを調査すること。
• 磁性ドーピングされたトポロジカル絶縁体と比較して、2次元QAHE状態のバンドギャップおよび磁性秩序化温度を評価すること。

提案手法

• 3次元磁性ウェイル半金属Co₃Sn₂S₂の電子構造に基づく有効2次元モデルの構築。
• 異なる層化学 Stoichiometry における2次元極限を模擬するためのタイトバインディングモデルの適用。
• 2次元状態のトポロジカル不変量を分類するためのチャーン数の計算。
• 2次元系におけるバンドギャップおよび異常ホール電導度の評価。
• Co₃Sn₂S₂における内在的フェロ磁性に基づく磁性秩序化温度の評価。
• バンドギャップおよび熱安定性の観点から、2次元QAHE状態と既存のQAHEプラットフォームを比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限サイズ効果を通じて、磁性ウェイル半金属の2次元極限で量子異常ホール効果が実現可能か？
• RQ2 Co₃Sn₂S₂の2次元相のトポロジカル不変量（チャーン数）およびバンドギャップは何か？
• RQ3 2次元QAHE状態の磁性秩序化温度は、磁性ドーピングされたトポロジカル絶縁体と比べてどうか？
• RQ4 Co₃Sn₂S₂の2次元制限は、量子化されたホール伝導度を有する安定な絶縁体状態をもたらすか？
• RQ5 層の化学 Stoichiometry は、2次元系のトポロジカル相を決定づける役割を果たすか？

主な発見

• Co₃Sn₂S₂の2次元極限は、チャーン数3および0.05 eVのバンドギャップを有するトポロジカル絶縁体相を支持している。
• チャーン数6の第2の2次元相が、スメアティック状態として存在し、化学組成に応じた異なるトポロジカル的挙動を示している。
• 絶縁体的2次元相における0.05 eVのバンドギャップは、磁性ドーピングされたトポロジカル絶縁体で観測されたものよりも顕著に大きい。
• Co₃Sn₂S₂の内在的フェロ磁性は、希薄な磁性半導体よりも高い磁性秩序化温度を示唆しており、QAHEの熱安定性を向上させている。
• 磁性ウェイル半金属の2次元極限における有限サイズ効果が、頑健なQAHE状態の出現を可能にしている。