[논문 리뷰] Intrinsic Quantum Anomalous Hall Effect in the Kagome Lattice Cs2LiMn3F12

Gang Xu, Biao Lian외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 14.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 스핀-오비트 결합과 강한 자성 정렬을 통해 단일층 Cs2Mn3F12 및 Cs2LiMn3F12 카고메 격자(001) 표면에서 내재된 양자 비정상 홀 효과(QAH)를 제안하며, 약 20 meV의 위상적 밴드 갭을 달성한다. 이 효과는 2/3 충전도에서 비자명한 카이너 밴드에 기인하며, 밀도함수이론(ab initio) 계산과 단순화된 타이트버드 모델을 통해 확인되었으며, 무작위 도핑 없이 고온에서의 내재된 QAH 상태를 가능하게 한다.

ABSTRACT

In a kagome lattice, the time reversal symmetry can be broken by a staggered magnetic flux emerging from ferromagnetic ordering and intrinsic spin-orbit coupling, leading to several wellseparated nontrivial Chern bands and intrinsic quantum anomalous Hall effect. Based on this idea and ab initio calculations, we propose the realization of the intrinsic quantum anomalous Hall effect in the single layer Cs2Mn3F12 kagome lattice and on the (001) surface of a Cs2LiMn3F12 single crystal by modifying the carrier coverage on it, where the band gap is around 20 meV. Moreover, a simplified tight binding model based on the in-plane ddσantibonding states is constructed to understand the topological band structures of the system.

연구 동기 및 목표

• 무작위 도핑 없이 Cr 도핑된 (Bi,Sb)2Te3와 같은 시스템보다 높은 작동 온도를 보이는 내재된 양자 비정상 홀(QAH) 물질을 규명하는 것.
• 특히 Cs2LiMn3F12를 포함한 카고메 격자 물질의 잠재력을 탐색하여, 자성 정렬과 강한 스핀-오비트 결합을 통해 내재된 QAH 효과를 실현하는 것.
• 표면 또는 단일층 카고메 격자에서 2/3 충전도가 이루어질 경우 위상적으로 비자명한 절연체 상태와 측정 가능한 밴드 갭을 가질 수 있음을 보여주는 것.
• 내부 ddσ 반결합 상태를 기반으로 한 단순화된 타이트버드 모델을 구성하여 위상적 밴드 구조와 카이너 수의 양자화를 설명하는 것.

제안 방법

• 우수소 연성 허위전자를 사용한 BSTATE 패키지와 GGA-PBE 교환-상관 기능을 사용한 ab initio 밀도함수이론(DFT) 계산.
• K 및 K′ 점 근처의 디랙 점 근처의 저에너지 물리 현상을 기술하기 위해 평면 내 ddσ 반결합 상태를 기반으로 한 최소한의 타이트버드 모델 구축.
• 최대 국소화된 월리어 함수와 그린 함수 기법을 사용하여 반무한 스트립에서의 표면 상태 계산.
• 표면 최상위 Li 및 Cs 원자를 패assing하여 표면 전하 농도를 조절하여 (001) 표면층에서 2/3 충전도를 달성.
• 스핀-오비트 결합을 포함한 자화 모멘트와 밴드 구조 계산을 통해 카이너 수 C=1과 절연 갭 존재를 확인.
• 디랙 점 근처의 효과적 해밀토니안 분석에서, 질량 항목 m_soc = 2t2/3를 가진 Haldane 모델과 동일한 형태를 보이며, 위상 전이를 지배하는 것으로 나타났다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내재된 스핀-오비트 결합과 자성 정렬을 활용하여 무작위 도핑 없이 카고메 격자 물질에서 내재된 양자 비정상 홀 효과를 실현할 수 있는가?
• RQ2 Cs2Mn3F12의 카고메 격자에서 2/3 전자 충전도가 위상적으로 비자명한 절연체 상태를 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 단일층 자성 카고메 격자에서 스핀-오비트 결합을 도입했을 때 밴드 구조와 카이너 수는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 표면 패assing를 통해 표면 전하 농도를 조절함으로써 Cs2LiMn3F12의 (001) 표면에서 QAH 효과를 설계할 수 있는가?
• RQ5 위상적 상을 지배하는 저에너지 효과적 해밀토니안은 무엇이며, Haldane 모델과 어떻게 관련되어 있는가?

주요 결과

• 스핀-오비트 결합을 포함할 경우 단일층 Cs2Mn3F12 카고메 격자는 약 20 meV의 위상적 밴드 갭을 나타내며, 카이너 수 C=1을 가진 내재된 QAH 절연체 상임을 확인한다.
• ab initio 계산 결과, 시스템은 SOC 없이 무간섭 반금속이지만, 스핀-오비트 결합을 포함하면 20 meV 갭이 열리며, 이는 위상 전이를 나타낸다.
• 월리어 함수를 사용한 표면 상태 계산에서, 전도대와 가역대 사이에 단일 카이너 표면 상태가 존재함을 확인하여 카이너 수 C=1을 가진 위상적 성질을 확인한다.
• (001) 표면에서 Cs2LiMn3F12의 표면 전하 농도를 Li/Cs 패assing를 통해 조절함으로써 2/3 충전도를 달성하였으며, 이로 인해 4 meV의 절연 갭과 카이너 표면 상태가 나타나 표면 QAH 효과를 나타낸다.
• ddσ 반결합 상태를 기반으로 한 단순화된 타이트버드 모델은 디랙 원추 구조와 위상 전이를 재현하며, 효과적 해밀토니안은 Haldane 모델과 일치하고 질량 항목 m_soc = 2t2/3를 가진다.
• 표면에서 Mn 원자당 자화 모멘트는 3.6 μB/Mn, 부피 내부에서는 4.0 μB/Mn로 나타나 강한 자성 정렬임을 나타내며, 표면층은 2차원 카고메 격자로서 QAH 효과를 지지한다.