[論文レビュー] Tight-binding model and ab initio calculation of silicene with strong spin-orbit coupling in low-energy limit

Chen-Huan Wu|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 109被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、強いスピン軌道結合を有するモノレイヤーシリセインのトポロジカル相転移を電場および磁場によって制御可能にするために、タイトバインディングモデルとab initio計算を用いて研究を行った。非自明なトポロジカル相転移が観測され、非ゼロのスピンおよびバルクチェーン数を持つ特異な量子異常ホール状態が同定された。この状態は、磁場下でスピンおよびバルクに偏光したエッジ状態を形成し、電導度が $e^2/h$ および $e^2/2h$ に量子化される。

ABSTRACT

We carry out both the tight-binding model and the $ab\ initio$ to study the layered silicene, the spin, valley, sublattice degrees of freedom are taken into consider and the effects of electric field, magnetic field, and even the light in finite frequency together with its interesting optical propertice, which are all closely related to the spin-orbit coupling and Rashba coupling and lead to the tunable phase transitions (between the nontrivial topological phase which has nonzero Chern number or nonzero spin Chern number and the trivial phase). An exotic quantum anomalous Hall insulator phase are found which has nonzero spin Chern number and nonzero valley Chern number and as a giant-application-potential spintronic and valleytronics in the two-ternimate devices based on the monolayer silicene for the information transmission. In fact, the gap-out action can be understanded by analyse the Dirac mass as well as the Zeeman splitting or the external-field-induced symmetry-broken, and the changes of gap has a general nonmonotone-variation characteristic under both the effects of electron filed-induced Rashba-coupling $R_{2}(E_{\perp})$ and the electron field-induced band gap, and the band inversion related to the spin-orbit coupling which absorbs both the spin and orbital angular of momentum may happen during this process. The quantized Hall/longitudinal conductivity together with the optical conductivity are also explored, we see that even in the quantum spin Hall phase without any magnetic field, the two-terminate conductivity can be reduced to the value $e^{2}/h$ by controlling the helical edge model, and it can be further reduced to $e^{2}/2h$ by applying the magnetic field which similar to the graphene.

研究の動機と目的

• シリセインにおけるスピン軌道結合、ラシュバ結合、および外部場の相互作用がトポロジカル相をどのように制御するかを理解すること。
• 非自明なトポロジカル絶縁体相、特に非ゼロのスピンおよびバルクチェーン数を有する量子異常ホール相の出現を調査すること。
• 電場および磁場がシリセインの低エネルギー電子構造におけるバンド反転、ディラック質量、ゼーマン分裂に与える影響を調査すること。
• 量子スピンホールおよび異常ホール領域におけるエッジ状態輸送を含む、量子化されたホールおよび縦方向電導度を分析すること。
• 将来の2次元スピントロニクスおよびバルクトロニクスデバイスに向け、対称性の破れ、ギャップの開き、トポロジカル不変量の関係を理論的枠組みとして確立すること。

提案手法

• ヘキサゴナル格子上の最近接、第二近接、第三近接遷移を含む多軌道タイトバインディングモデルを構築し、シリセインの電子構造を記述する。
• 有効ハミルトニアン項を用いてスピン軌道結合およびラシュバ結合を組み込み、スピンおよびバルク自由度を明示的に取り扱う。
• タイトバインディングモデルのパラメータを検証し、バンド構造、ディラック質量、外部場下でのギャップの進化をab initio計算で算出する。
• ${\bf k}\cdot{\bf p}$ ねじれ理論を用いてディラック点近傍の低エネルギー有効ハミルトニアンを導出する。
• チェーン数およびスピンチェーン数などのトポロジカル不変量を評価し、$\mathcal{R}_z$ 回転および対称性解析を用いて相を分類する。
• 電導度計算を用いて光学的および輸送的性質を分析し、エッジ状態における量子化されたホール電導度 $e^2/h$ および $e^2/2h$ を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電場および磁場がスピン軌道結合およびラシュバ結合を通じてシリセインにおけるトポロジカル相転移をどのように誘導するか。
• RQ2 バンド反転およびディラック質量の生成が、シリセインにおける非自明なトポロジカル相の出現に果たす役割は何か。
• RQ3 外部磁場が存在しない状態でも、非ゼロのスピンおよびバルクチェーン数を有する量子異常ホール相をシリセインで実現可能か。
• RQ4 磁場を印加した場合、ヘリカルエッジ状態の電導度はどのように変化するか。また、$e^2/2h$ の量子化のメカニズムは何か。
• RQ5 電場やゼーマン効果による対称性の破れが、ギャップ構造およびシリセインのトポロジカル秩序に与える影響は何か。

主な発見

• 強いスピン軌道結合および外部場下で、非ゼロのスピンチェーン数および非ゼロのバルクチェーン数を有する特異な量子異常ホール相がシリセインで同定された。
• 電場の増加に伴い、ディラック質量およびゼーマン分裂が非単調に変化することから、ラシュバ結合とギャップの開きの複雑な相互作用が示唆された。
• 磁場が存在しない量子スピンホール相では、エッジ状態の電導度が $e^2/h$ に量子化されており、ヘリカルエッジ状態と整合的である。
• 磁場を印加すると電導度が $e^2/2h$ に低下し、グラフェンで観測された挙動と類似しており、トポロジカルエッジ輸送の頑健性が確認された。
• 量子スピンホール相ではバルクギャップが約0.8 eVに達し、モノレイヤーBi4Br4などの他の2次元トポロジカル絶縁体と比較して顕著に大きい。
• 光学的電導度および輸送的性質の計算により、外部場によるトポロジカル相の制御可能性が確認され、スピントロニクスおよびバルクトロニクスデバイスへの応用可能性が支持された。