[논문 리뷰] Quantum Anomalous Hall and Valley Quantum Anomalous Hall Effects in Two-Dimensional d0 Orbital XY Monolayers

Kang Wang, Yihui Li외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 14.

Topological Materials and Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 X = K, Rb, Cs; Y = N, P, As, Sb, Bi인 이차원 d⁰ 오비탈 XY 계면체를 새로운 종류의 물질로 제안하며, 이는 내재된 양자 이상 홀 효과(QAHE)를 나타내며, 특히 CsSb의 경우 기하급수적인 분리가 있는 놀라운 밸리 QAHE를 보인다. 이러한 효과는 스핀 균형을 가진 p-오비탈 상태와 강한 스핀-오비탈 결합에 기인하며, pₓ,ᵧ 및 p_z 오비탈 간의 밴드 역전이에 의해 유도되는 면내 응력에 의해 조절 가능한 토폴로지적 성질을 가진다.

ABSTRACT

We propose a new family of the d0 orbital XY (X = K, Rb, Cs; Y = N, P, As, Sb, Bi) monolayers with abundant and novel topology and valley properties. The KN, RbN, RbP, RbAs, CsP, CsAs, and CsSb monolayers possess remarkable quantum anomalous Hall effect (QAHE). CsSb monolayer also exhibits extraordinary valley QAHE with giant splitting. Moreover, the topological properties of XY monolayers can be effciently tuned by the in-plane strain, owing to the strain-induced band inversion between the px;y and pz orbitals. Our findings suggest that the d0 orbital XY monolayers can be good candidates for promising applications in the spintronics and multifunctional topological-based devices.

연구 동기 및 목표

• 전이 금속이 없는 내재된 양자 이상 홀 효과(QAHE)를 나타내는 새로운 이차원 물질을 규명하는 것.
• 비대칭성이 깨진 d⁰ 시스템에서의 밸리 균형과 밸리 특화 QAHE의 발생을 탐구하는 것.
• 이 물질들에서 토폴로지적 성질이 면내 응력에 의해 효율적으로 조절될 수 있음을 보여주는 것.
• p-오비탈 자성 기반으로 고온 다기능 토폴로지 물질을 설계하는 원칙을 수립하는 것.

제안 방법

• PBE-GGA 함수를 사용한 VASP 패키지를 이용한 최초 원리 밀도함수이론(DFT) 계산.
• 500 eV 평면파 커팅과 Γ 중심 k-메쉬(최적화 시 15×15×1, 자성계산 시 24×24×1)의 사용.
• ε = (a − a₀)/a₀ × 100%로 정의된 면내 이방성 응력 적용을 통해 토폴로지적 상전이를 탐색.
• 베리 곡률과 표면 상태 계산을 통해 비자명한 츄른 수와 비틀림 표면 전도를 확인.
• 응력 조건 하에서 pₓ,ᵧ 및 p_z 오비탈 간의 오비탈 특성과 밴드 역전을 분석.
• CsBi, CsSb, CsP, RbBi 및 기타 XY 계면체의 체계적 연구를 통해 응력 조절 가능한 토폴로지적 전이의 일반성 확인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 d⁰ 오비탈 이차원 계면체는 자성 d/f 전자 없이 내재된 양자 이상 홀 효과(QAHE)를 나타낼 수 있는가?
• RQ2 p-오비탈 시스템에서 비자명한 밴드 갭과 스핀 균형이 밸리 선택적 전도를 이끌어내는가?
• RQ3 면내 응력이 이러한 d⁰ 시스템에서 비자명한 절연체에서 양자 이상 홀 절연체로의 토폴로지적 상전이를 유도할 수 있는가?
• RQ4 스핀-오비탈 결합과 오비탈 혼성화는 CsSb와 같은 물질에서 기하급수적인 밸리 분리 현상을 가능하게 하는가?
• RQ5 응력 유도 밴드 역전 메커니즘은 XY 계면체 가족 전반에 걸쳐 일반적인가?

주요 결과

• KN, RbN, RbP, RbAs, CsP, CsAs, CsSb 계면체는 비자명한 츄른 수를 가진 견고한 양자 이상 홀 효과를 나타낸다.
• CsSb 계면체는 기하급수적인 밸리 균형 분리가 있는 놀라운 밸리 양자 이상 홀 효과를 나타낸다.
• Y 원소의 원자 번호가 증가함에 따라 K’ 점에서의 밴드 갭이 감소하여 CsSb에서 0이 되며, 이는 토폴로지적 상전이 지점임을 시사한다.
• CsBi에서는 6%의 체적 압축 응력에서 밴드 갭이 닫히며, 응력 유도 밴드 역전으로 인해 비자명한 절연체에서 QAHI로의 전이가 발생한다.
• 면내 체적 압축 응력은 pₓ,ᵧ 및 p_z 오비탈 간의 밴드 역전을 유도하여 토폴로지적 상전이를 가능하게 하지만, 인장 응력은 그렇지 않다.
• 응력 조절 가능한 밴드 역전 메커니즘은 CsSb, CsP, CsBi, RbBi를 포함한 XY 계면체 가족 전반에 걸쳐 일반적이다.