[論文レビュー] Two-dimensional honeycomb-kagome V2O3: a robust room-temperature magnetic Chern insulator interfaced with graphene

Simon Mellaerts, Ruishen Meng+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 53被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、内在的スピン軌道結合および強い電子相関が寄与することにより、室温で安定した磁性チャーン絶縁体を示す二次元ヘキサゴナル・カゴーメ構造を有するV2O3単層膜を提案する。第一原理計算により、構造的・熱的・機械的安定性が確認され、予測されるCurie温度は300 K以上であり、量子異常ホール効果が量子化されている。これは、グラフェンと界面を形成するか、または応力を加えることでスピントロニクス素子に応用可能な有望な候補である。

ABSTRACT

The possibility of dissipationless chiral edge states without the need of an external magnetic field in the quantum anomalous Hall effect (QAHE) offers a great potential in electronic/spintronic applications. The biggest hurdle for the realization of a room-temperature magnetic Chern insulator is to find a structurally stable material with a sufficiently large energy gap and Curie temperature that can be easily implemented in electronic devices. This work based on first-principle methods shows that a single atomic layer of V2O3 with honeycomb-kagome (HK) lattice is structurally stable with a spin-polarized Dirac cone which gives rise to a room-temperature QAHE by the existence of an atomic on-site spin-orbit coupling (SOC). Moreover, by a strain and substrate study, it was found that the quantum anomalous Hall system is robust against small deformations and can be supported by a graphene substrate.

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、大きなエネルギーギャップとCurie温度を有する構造的に安定な二次元磁性チャーン絶縁体を同定すること。
• ヘキサゴナル・カゴーメ格子構造を有する単層V2O3の電子的および磁気的性質を調査すること。
• 両軸ひずみおよびグラフェン基板上でのヘテロ構造としての安定性と実現可能性を評価すること。
• 量子モンテカルロ法およびグリーン関数法を用いてCurie温度を特定し、熱的安定性を評価すること。
• 局所的スピン軌道結合および電子相関（DFT+Uを用いて）が、この系におけるトポロジカルギャップを生成する役割を明らかにすること。

提案手法

• V2O3の局在的3d電子を考慮するため、PBE-GGA汎関数とハーバードU補正（U = 3.28 eV）を用いたスピン極性密度汎関数理論（DFT）を採用した。
• 電子構造計算には、予測された拡張波（PAW）法と550 eVの平面波カットオフを用いた。
• グラフェン支持ヘテロ構造におけるファンデルワールス相互作用を含めるために、DFT-D3法を適用した。
• 300 Kでの第一原理分子動力学（AIMD）シミュレーションを、4×4×1スーパーセルと2 fsの時間ステップで実施し、熱的安定性を評価した。
• 密度汎関数摂動論法（DFPT）を用いてフォノン分散関数を計算し、動的安定性を確認した。
• モンテカルロシミュレーション（VAMPiREパッケージ）と完全に量子力学的なグリーン関数アプローチを用いてCurie温度を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単層ヘキサゴナル・カゴーメV2O3単層膜は、室温で強固な量子異常ホール効果を示すことができるか？
• RQ2 本系は機械的ひずみに対してどのように応答し、両軸ひずみ下でも機械的安定性を保っているか？
• RQ3 グラフェン基板と界面を形成した場合、磁性チャーン絶縁体状態は安定化するか？
• RQ4 スピン軌道結合および電子相関が、この系におけるトポロジカルギャップの生成に果たす役割は何か？
• RQ5 予測されるCurie温度はどの程度で、室温を超えて実用的応用が可能になるか？

主な発見

• ヘキサゴナル・カゴーメV2O3単層膜は、虚数のフォノンモードがなく、AIMDシミュレーションにおけるエネルギーフラクチュエーションが0.3%未満であるなど、完全な構造的・熱的・機械的安定性を示している。
• 本系の予測Curie温度は約300 Kであり、モンテカルロ法およびグリーン関数法の両方で確認され、室温での強磁性を示す。
• 非自明なベリー曲率を有するスピン極性ディラック円錐が、量子化された異常ホール伝導度をもたらし、量子異常ホール効果の確認がされた。
• 小さな両軸ひずみ（±10%まで）下でも、本系はトポロジカルおよび磁気的性質を維持しており、格子歪みに対して強い耐性を示している。
• V2O3単層膜は、界面相互作用が最小限に抑えられるため、グラフェン基板上でも安定化され、磁気的およびトポロジカル特性を保持している。
• 有効なハーバードUパラメータは自己無撞着的に3.28 eVとして決定され、バルクV2O3と一致しており、強い電子相関の取り扱いが妥当であることが裏付けられた。