[논문 리뷰] Quantum spin Hall effect and topological phase transitions in honeycomb antiferromagnets

Chengwang Niu, Jan-Philipp Hanke외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 19.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 두차원 정합격자 반자성체에서 시간역전 및 공간역전 대칭($\mathcal{P}\mathcal{T}$)의 조합으로 인해 양자 스핀홀 효과(QSH)를 예측한다. 기능화된 Sn 필름(X-Sn, X = H, F, Cl, Br, I)은 실험적으로 실현 가능한 후보로 제시된다. 놀랍게도, 인장 응력은 반자성에서 자성 순서로의 자기 전이를 수반하며, QSH에서 양자이상자기홀(QAH) 상태로의 위상 전이를 유도한다. 이는 양자화된 스핀 및 이상자기홀 전도도와 보호된 표면 상태에 의해 뒷받침된다.

ABSTRACT

While the quantum spin Hall (QSH) effect and antiferromagnetic order constitute two of the most promising phenomena for embedding basic spintronic concepts into future technologies, almost all of the QSH insulators known to date are non-magnetic. Here, based on tight-binding arguments and first-principles theory, we predict two-dimensional antiferromagnets with honeycomb lattice structure to exhibit the QSH effect due to the combined symmetry of time reversal and spatial inversion. We identify functionalized Sn films as experimentally feasible examples which reveal large band gaps rendering these systems ideal for energy efficient spintronics applications. Remarkably, we discover that tensile strain can tune the magnetic order in these materials, accompanied by a topological phase transition from the QSH to the quantum anomalous Hall phase.

연구 동기 및 목표

• 자기적 질서가 존재하는 상황에서도 양자 스핀홀(QSH) 효과를 나타내는 이차원 정합격자 반자성체를 특정하는 것.
• 특히 응력에 의해 영향을 받는 반자성체에서 자기적 질서와 위상학적 성질 간의 상호작용을 탐구하는 것.
• 위상학적 위상 전이를 응력에 의해 유도할 수 있는 실험적으로 실현 가능한 재료를 특정하는 것.
• 다른 응력 조건에서 한 물질 체계 내에서 QSH 및 QAH 위상의 공존을 입증하는 것.
• 비자성 및 자성 절연체에서 조절 가능한 위상학적 위상을 실현함으로써 반자성 위상 스핀트로닉스를 위한 플랫폼을 제공하는 것.

제안 방법

• 정합격자에 스핀오비탈 결합($\lambda_{SO}$)과 반자성 스핀 교환($\lambda_{EX}$)을 포함한 사밴드 타이트버딩 모델을 사용하는 것.
• 기능화된 Sn 필름(X-Sn, X = H, F, Cl, Br, I)을 모델링하기 위해 처음 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하는 것.
• 인장 응력을 적용하여 반자성에서 자성 순서로의 자기 기저 상태를 조절하는 것.
• 위상학적 불변량과 위상 전이를 식별하기 위해 스핀 및 이상자기홀 전도도를 계산하는 것.
• 갈림자 나노리브에서 표면 상태를 분석하여 나선형(QSH) 및 나선형(QAH) 특성을 확인하는 것.
• 베리 곡률을 계산하고 운동량 공간 통합을 수행하여 양자화된 이상자기홀 전도도를 검증하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기대칭성 보존 조건인 $\mathcal{P}\mathcal{T}$ 대칭에 의해 보호되는 이차원 정합격자 반자성체에서 양자 스핀홀 효과가 실현될 수 있는가?
• RQ2 인장 응력은 기능화된 Sn 필름의 자기 질서와 위상학적 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이러한 재료에서 응력에 의해 유도된 자기 전이 과정 중에 QSH에서 QAH로의 위상 전이가 발생하는가?
• RQ4 오비탈 혼성화와 스핀 정렬은 응력이 가해진 자성 상태에서 QAH 위상을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 갈림자 리브의 표면 상태 분석은 나선형(QSH)과 나선형(QAH) 위상학적 위상을 구별할 수 있는가?

주요 결과

• 기능화된 Sn 필름(X-Sn)은 최대 271 meV까지 큰 밴드 갭을 나타내며, I-Sn는 259 meV의 갭을 보여 실온에서의 스핀트로닉스 응용에 유망하다.
• 5%의 인장 응력은 I-Sn에서 반자성에서 자성 순서로의 전이를 유도하며, 임계 에너지 갭 $\Delta E_c = 93$ meV를 가진다.
• 응력이 가해진 자성 상태에서 I-Sn는 양자화된 이상자기홀 전도도 $\sigma_{xy}^A = e^2/(2\pi h)$를 나타내어 QAH 위상을 확인한다.
• 응력이 가해진 자성 상태에서 스핀 홀 전도도는 여전히 $e/(4\pi)$로 양자화되어 있어 QSH 및 QAH 위상의 공존을 나타낸다.
• 표면 상태 분석은 비응력 상태의 반자성 H-Sn에서 나선형 표면 상태(QSH 위상)와 응력이 가해진 I-Sn에서의 나선형 표면 상태(QAH 위상)를 확인한다.
• H-Sn 제외한 모든 X-Sn 화합물에서 QSH에서 QAH로의 위상 전이가 관측되며, H-Sn는 응력 조건에서 금속성으로 변한다.