[論文レビュー] Van der Waals Heterostructure Pt$_{2}$HgSe$_{3}$/CrI$_3$ for Topological Valleytronics

Zheng Liu, Yulei Han+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2020

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、Pt₂HgSe₃とCrI₃のvan der Waalsヘテロ構造を、トポロジカルバレークロニクスのためのプラットフォームとして提案する。ここで、層間磁気プロキシミティ結合と強いスピン軌道相互作用が、17.8 meVのトポロジカルギャップを有するバレー極化型チェーン絶縁体を誘起し、h-BNカプセル化によって30.8 meVに増幅される。これにより、電気的にスイッチ可能なバレー極化と低消費電力デバイスに適したロバストなトポロジカルエッジ状態が実現可能となる。

ABSTRACT

We identify a valley-polarized Chern insulator in the van der Waals heterostructure, Pt$_{2}$HgSe$_{3}$/CrI$_3$, for potential applications with interplay between electric, magnetic, optical, and mechanical effects. The interlayer proximity magnetic coupling nearly closes the band gap of Pt$_{2}$HgSe$_{3}$ and the strong intra-layer spin-orbit coupling further lifts the valley degeneracy by over 100 meV leading to positive and negative band gaps at opposite valleys. In the valley with negative gap, the interfacial Rashba spin-orbit coupling opens a topological band gap of 17.8 meV, which is enlarged to 30.8 meV by adding an $h$-BN layer. We find large orbital magnetization in Pt$_{2}$HgSe$_{3}$ layer that is much larger than spin, which can induce measurable optical Kerr effect. The valley polarization and Chern number are coupled to the magnetic order of the nearest neighboring CrI$_3$ layer, which is switchable by electric, magnetic, and mechanical means in experiments. The presence of $h$-BN protects the topological phase allowing the construction of superlattices with valley, spin, and layer degrees of freedoms.

研究の動機と目的

• 大規模なバレー分裂とロバストなトポロジカルギャップを有する、バレー極化型チェイン絶縁体を支持する2次元van der Waalsヘテロ構造の同定。
• CrI₃の磁性と結合させることで、バレー極化の電気的・磁気的・機械的制御を可能とする。
• h-BNカプセル化によるトポロジカル保護の強化とバンドギャップの拡大を達成し、スケーラブルなデバイス統合を実現する。
• 軌道磁化駆動型の光学的および輸送的応答を示し、バレーインデックスの検出を可能とする。
• チューナブルなバレー、スピン、層自由度を有するスーパーラティスプラットフォームを構築し、多機能トポロジカルエレクトロニクスを実現する。

提案手法

• Pt₂HgSe₃/CrI₃ヘテロ構造の電子状態をモデル化するために、第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算が用いられる。
• スピン軌道相互作用（SOC）と界面ラシュバSOCが含まれており、これによりバレー簡約性が解除され、トポロジカルギャップが開く。
• CrI₃の厚さがバンド構造およびトポロジカルギャップに与える影響を体系的に検討する。
• h-BNカプセル化の役割を評価するために、これをモデル化する。
• 軌道磁化およびスピン磁化を計算し、光学的ケラ効果および異常ホール効果への寄与を評価する。
• スタッキング順序および磁化反転をシミュレートすることで、バレー極化およびチェイン数の制御を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pt₂HgSe₃とCrI₃のvan der Waalsヘテロ構造は、大きなトポロジカルギャップを有するバレー極化型チェイン絶縁体を実現できるか？
• RQ2 界面ラシュバスピン軌道相互作用は、K′バレーにおけるトポロジカルバンドギャップの開口にどのように寄与するか？
• RQ3 h-BNカプセル化は、トポロジカルギャップをどれほど増幅させ、トポロジカル相をどれほど保護するか？
• RQ4 CrI₃の磁性のスイッチングにより、バレー極化およびチェイン数を電気的に制御できるか？
• RQ5 軌道磁化は、バレー状態の光学的検出を可能にする役割を果たすか？

主な発見

• Pt₂HgSe₃/CrI₃ヘテロ構造は、層間磁気プロキシミティ結合と強い内在的スピン軌道相互作用により、100 meVを超えるバレー分裂を示す。
• 界面ラシュバスピン軌道相互作用により、K′バレーに17.8 meVのトポロジカルバンドギャップが開き、非ゼロのチェイン数を持つチェイン絶縁体が実現される。
• h-BNカプセル化により、トポロジカルバンドギャップは30.8 meVに増幅され、同時に大きなバレー分裂が保持される。
• Pt₂HgSe₃には大きな軌道磁化が見られ、スピン磁化を著しく上回り、検出可能な光学的ケラ効果を可能にする。
• バレー極化およびチェイン数は、CrI₃の厚さの増加に対してもロバストであり、CrI₃の磁性と結合しているため、電気的・磁気的・機械的手段による制御が可能である。
• スタッキング順序の反転および磁化スイッチングにより、バレー極化とチェイン数の独立した制御が可能となり、チューナブルなスピン・バレー・層自由度を有する多機能スーパーラティスの実現が可能となる。