[論文レビュー] Spin Hall effect in 2D metallic delafossite PtCoO$_2$ and vicinity topology

Sota Kitamura, Hidetomo Usui+10 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2018

Copper-based nanomaterials and applications被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、フェルミ準位近くに存在する6つの強い傾きを示すディラック準拠が、大きなスピン軌道結合によってギャップ化されることで、2次元金属酸化物PtCoO₂に顕著な内在的スピンホール効果を引き起こしていることを特定している。この系は、近似的な結晶対称性によって保護される準安定なトポロジカル相「近縁トポロジー」を示しており、ウィルソンループ解析とミラーチャン数の計算によって明らかにされた。PtCoO₂は、スピントロニクスおよびトポロジカル量子現象の研究のためのプラットフォームとして位置づけられる。

ABSTRACT

The two-dimensional (2D) metal PtCoO$_2$ is renowned for the lowest room temperature resistivity among all oxides, close to that of the top two materials Ag and Cu. In addition, we theoretically predict a strong intrinsic spin Hall effect. This originates from six strongly-tilted Dirac cones that we find in the electronic structure near the Fermi surface, where a gap is opened by large spin-orbit coupling (SOC). This is underpinned by rich topological properties; in particular, the phenomenology of a mirror Chern metal is realized not exactly, but very accurately, on account of an approximate crystalline symmetry. We expect that such 'vicinity topology' to be a feature of relevance well beyond this material. Our Wilson loop analysis indicates further elaborate features such as fragile topology. These findings highlight PtCoO$_2$ as a promising material for spintronic applications as well as a platform to study the interplay of symmetry and topology.

研究の動機と目的

• 2次元金属酸化物PtCoO₂における顕著な内在的スピンホール効果の起源を理解すること。
• 電子構造のトポロジカル性質、特にスピン軌道結合と結晶対称性の役割を調査すること。
• 正確なトポロジカル分類を超えて、近似的な対称性によって保護されるトポロジカル特徴「近縁トポロジー」の出現を探索すること。
• 観測可能な輸送および表面現象（エッジ状態やワナイヤー中心の流れなど）と観察された電子構造を結びつけること。
• PtCoO₂を、2次元材料における対称性、トポロジー、電子相関の相互作用を研究するモデル系として確立すること。

提案手法

• PBE-GGA交換相関関数およびスカラー相対論的近似を用いたWIEN2Kパッケージを用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算。
• DFTバンドから導かれた最大局在Wannier関数を用いて、三角格子上の9バンドタイトブンモデルを構築。
• ARPESデータを再現するために、λ ≈ 0.55 eVとして、スピン軌道結合（SOC）を局所項として明示的に含める。
• ウィルソンループ固有値を高対称経路に沿って計算し、ワナイヤー中心の流れを調べ、トポロジカル不変量を検出する。
• ミラーチャン数および$C_{2z}\tilde{\tau}$対称性の分析により、安定および準安定なトポロジカル指標を同定する。
• スラブ幾何学のシミュレーションによりエッジ状態を計算し、表面感受性なトポロジカル応答を調べる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PtCoO₂における顕著な内在的スピンホール効果の起源は何か。また、その電子バンド構造とはどのように関係しているか。
• RQ2 フェルミ面近くの6つのディラック準拠は、スピン軌道結合によってギャップ化されているにもかかわらず、どのようにトポロジカル輸送特性に寄与しているか。
• RQ3 正確な結晶対称性ではなく、近似的な結晶対称性にある系において、ミラーチャン数のようなトポロジカル不変量がどの程度実現可能か。
• RQ4 軌道-運動量ロックインがPtCoO₂における電子散乱および輸送に与える影響は何か。
• RQ5 表面プローブは、$C_{2z}\tilde{\tau}$対称性によって保護されるような、準安定なトポロジカル状態を検出可能か。

主な発見

• PtCoO₂はフェルミ準位近くに6つの強い傾きを示すディラック準拠を有しており、結晶対称性に対して安定であるが、大きなスピン軌道結合（λ ≈ 0.55 eV）によってギャップ化され、約0.43 eVのギャップが開く。
• この系は「近縁トポロジー」相を実現しており、表面で破れても、近似的なミラー対称性のおかげでミラーチャン数が高精度で保存される。
• ウィルソンループ解析により、断片的トポロジーおよび0および±πでのワナイヤー中心の交差が示され、$C_{2z}\tilde{\tau}$対称性によって保護される準安定な$\tilde{\bb Z}$分類が裏付けられる。
• フェルミ面における軌道的性質は純粋な$d_{3z^2-r^2}$ではなく、顕著な$d_{3x^2-r^2}$に類似した性質を示し、運動量にロックされている。これは不純物散乱を低減する可能性がある。
• 表面感受性プローブは、$C_{2z}\tilde{\tau}$対称性によって保護される準安定トポロジーのみが実現される状態にアクセス可能であり、断片的および近似的なトポロジカル相の実験的評価を可能にする。
• 強いスピン軌道結合、2次元金属的性質、および豊富なトポロジカル構造の組み合わせにより、PtCoO₂はスピントロニクス素子およびトポロジカル量子研究のための有望な候補である。