[논문 리뷰] Electronic transport and the related anomalous effects in silicene-like hexagonal lattice

Chen-Huan Wu|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 28.

Graphene research and applications참고 문헌 41인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 베리 곡률에 기인한 비정상 전자 운반성질을 갖는 실리센과 유사한 정육각형 격자에서의 비정상 전자 운반성질을 조사한다. 특히 베리 곡률에 기인한 효과인 내재된 양자 비정상 홀 효과와 비정상 속도에 초점을 맞춘다. 연구는 스핀-오비트 결합과 전기장 조절이 가능한 라슈바 결합이 토폴로지적 스핀 운반성질, 피하기 피할 수 없는 준수직 수준 교차에 의한 밴드 갭, 그리고 조지프슨 결합에서의 고유한 안드레에프 반사 현상으로 이어짐을 보여준다. 이는 스핀트로닉스 및 밸리트로닉스 분야에 응용 가능성을 지닌다.

ABSTRACT

We investigate the anomalous effects due to the Berry correction and the considerable perturbations in the silicene-like hexagonal lattice system. The Berry curvature in periodic Bloch band system which related to the electromagnetic field is explored, the induced transverse anomalous velocity gives rise to the intrinsic Hall conductivity (without the vertex correction) expecially in the quantum anomalous Hall phase. The quantum anomalous Hall effect which related to the anomalous velocity term is detected, including the band avoided corssing effect and the generated special band gap. %{Enlarged Galilean symmetry of anyons and the Hall effect} The topological spin transport is affected by the Berry curvature %{Topological spin transport of a relativistic electron} %{Anomalous direction for skyrmion bubble motion} and the spin-current-induced Skyrmion spin texture motion is contrasted between the quantum spin Hall effect and quantum anomalous Hall effect. Since silicene involving the orbital degree of freedom, the orbital magnetic moment and orbital magnetization contributes significantly to the electronic transport properties of silicene %{Photoinduced quantum spin and valley Hall effects, and orbital magnetization in monolayer MoS2} as explored in this article. We also investigate the electronic tunneling properties of silicene in Josephon junction with the electric-field-induced Rashba-coupling, the anomalous effect due to the Berry phase is mentioned. Our results is meaningful to the application of the spintronics and valleytronics base on the silicene-like topological insulators.

연구 동기 및 목표

• 베리 곡률이 실리센과 유사한 시스템에서 비정상 전자 운반성질에 미치는 역할을 이해하는 것.
• 실리센에서 스핀-오비트 결합, 전기장, 그리고 토폴로지적 상의 상호작용을 조사하는 것.
• 오비탈 자화모멘트와 오비탈 자화가 운반성질에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 라슈바 결합과 비정상 안드레에프 반사 현상을 포함한 조지프슨 결합의 거동을 검토하는 것.
• 양자 스핀 홀 상태와 양자 비정상 홀 상태에서의 토폴로지적 스핀 운반성질을 비교하는 것.

제안 방법

• 스핀-오비트 결합과 외부 필드를 고려한 실리센의 효과적 해밀토니안을 위한 저에너지 디랙 타이트바인드 모델을 사용한다.
• 기하 위상 보정을 포함한 양자역학적 운동 방정식을 사용하여 베리 곡률과 비정상 속도를 계산한다.
• 파동함수 매칭과 산란 행렬 형식론을 통해 안드레에프 준수 상태 분포를 유도한다.
• 준수 상태 에너지 표현에서 반사의 후퇴형과 정규형을 구분하기 위해 헤비사이드 단위계단함수를 통합한다.
• 전기장과 라슈바 결합이 동일 스핀 안드레에프 반사와 스핀 텍스처 동역학을 가능하게 하는 역할를 평가한다.
• 피하기 피할 수 없는 준수직 수준 교차와 캐런 수 양자화를 통해 토폴로지적 상을 식별하기 위해 밴드 구조를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 베리 곡률은 정점 보정 없이 실리센에서 내재된 비정상 홀 전도도를 어떻게 유도하는가?
• RQ2 스핀-오비트 결합과 전기장은 양자 비정상 홀 효과를 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 오비탈 자화모멘트는 실리센과 유사한 시스템에서 전자 운반성질에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 실리센 조지프슨 결합에서 비정상 동일 스핀 안드레에프 반사가 발생할 조건은 무엇인가?
• RQ5 양자 스핀 홀 상태와 양자 비정상 홀 상태에서 스핀과 밸리 텍스처는 어떻게 운동하는가?

주요 결과

• 피하기 피할 수 없는 준수직 수준 교차로 인해 비영인 캐런 수와 특수한 밴드 갭이 존재하는 내재된 양자 비정상 홀 효과가 나타난다.
• 베리 곡률에 기인한 비정상 속도는 외부 자기장이 없더라도 횡방향 홀 전도도를 유도한다.
• 스핀-전류에 의해 유도된 스카이미온 텍스처의 운동은 양자 스핀 홀 상태와 양자 비정상 홀 상태에서 크게 다름을 보인다.
• 오비탈 자화모멘트와 오비탈 자화는 특히 $v_F \approx c/500$인 비상대론적 실리센에서 운반성질에 크게 기여한다.
• 라슈바 결합이 결합에서 유도된 조건인 $\varepsilon < \mu + m_D^{\eta s_z\tau_z}$를 만족할 경우 비정상 동일 스핀 안드레에프 반사가 발생한다.
• 안드레에프 준수 상태 에너지는 진동수 성분, 화학적 위치 에너지, 그리고 복잡한 운동량에 의존하며, 준금속 영역에서는 허위 진동 모드가 존재한다.