[논문 리뷰] Realization of quantum anomalous Hall effect from a magnetic Weyl semimetal

Lukas Muechler, Enke Liu외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 21.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 65인용 수 23

한 줄 요약

이 연구는 자기적 와일 밴드 반도체인 Co₃Sn₂S₂를 2차원으로 압축하여 양자 비정상 홀 효과(QAHE)를 실현하는 것을 제안한다. 효과적 모델과 물질 특화 계산을 통해 2D 한계에서 토폴로지적 절연체가 나타나며, 체르누 수가 3이고, 0.05 eV의 강건한 밴드 갭을 가지며, 자기 도핑된 토폴로지적 절연체보다 훨씬 높은 온도에서 QAHE를 가능하게 한다.

ABSTRACT

The quantum anomalous Hall effect (QAHE) and magnetic Weyl semimetals (WSMs) are topological states induced by intrinsic magnetic moments and spin-orbital coupling. Their similarity suggests the possibility of achieving the QAHE by dimensional confinement of a magnetic WSM along one direction. In this study, we investigate the emergence of the QAHE in the two dimensional (2D) limit of magnetic WSMs due to finite size effects. We demonstrate the feasibility of this approach with effective models and real materials. To this end, we have chosen the layered magnetic WSM Co$_3$Sn$_2$S$_2$, which features large anomalous Hall conductivity and anomalous Hall angle in its 3D bulk, as our material candidate. In the 2D limit of Co$_3$Sn$_2$S$_2$ two QAHE states exist depending on the 2D layer stoichiometry. One is a semimetal with a Chern number of 6, and the other is an insulator with a Chern number of 3. The latter has a band gap of 0.05 eV, which is much larger than that in magnetically doped topological insulators. Since intrinsic ferromagnets normally have a higher magnetic ordering temperature than dilute magnetic semiconductors, the QAHE obtained from this WSM should be stable to a higher temperature. This temperature stability is one of the most important parameters for further applications of the QAHE.

연구 동기 및 목표

• 자기적 와일 반도체(WSMs)의 차원 축소를 통해 양자 비정상 홀 효과(QAHE)를 실현할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 2D 한계에서 양자화된 홀 효과를 지닌 물질 후보를 식별하기 위해.
• 층상 자기적 WSM에서의 유한한 크기 효과가 토폴로지적으로 비자명한 절연 상태로 이어질 수 있는지 조사하기 위해.
• 자기 도핑된 토폴로지적 절연체와 비교하여 2D QAHE 상태의 밴드 갭과 자기 순서화 온도를 비교하기 위해.

제안 방법

• 3D 자기적 와일 반도체인 Co₃Sn₂S₂의 전자 구조를 기반으로 한 효과적 2D 모델 구축.
• 다양한 층 조성비에서 2D 한계를 시뮬레이션하기 위해 타이트-버킨 모델 적용.
• 2D 상태의 토폴로지 불변량을 분류하기 위해 체르누 수 계산.
• 2D 시스템에서 밴드 갭과 비정상 홀 전도도 평가.
• Co₃Sn₂S₂ 내부의 고유한 강자성에 기반한 자기 순서화 온도 평가.
• 밴드 갭과 열 안정성 측면에서 기존 QAHE 플랫폼과 2D QAHE 상태 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한한 크기 효과를 통해 자기적 와일 반도체의 2차원 한계에서 양자 비정상 홀 효과를 실현할 수 있는가?
• RQ2 Co₃Sn₂S₂의 2D 상의 토폴로지 불변량(체르누 수)과 밴드 갭은 무엇인가?
• RQ3 2D QAHE 상태의 자기 순서화 온도는 자기 도핑된 토폴로지적 절연체와 비교하여 어떻게 되는가?
• RQ4 Co₃Sn₂S₂의 2D 구속이 양자화된 홀 전도도를 지닌 안정한 절연 상태를 유도하는가?
• RQ5 층 조성비는 2D 시스템의 토폴로지 상을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• Co₃Sn₂S₂의 2D 한계는 체르누 수가 3이고 밴드 갭이 0.05 eV인 토폴로지적 절연체 상을 지지한다.
• 체르누 수가 6인 두 번째 2D 상은 반도체 상태로 존재하며, 조성비에 따라 다른 토폴로지적 행동을 나타낸다.
• 절연성 2D 상에서 관측된 0.05 eV의 밴드 갭은 자기 도핑된 토폴로지적 절연체에서 관측된 것보다 현저히 크다.
• Co₃Sn₂S₂의 고유한 강자성은 희석 자기 반도체보다 높은 자기 순서화 온도를 암시하며, QAHE의 열 안정성을 향상시킨다.
• 자기적 와일 반도체의 2D 한계에서의 유한한 크기 효과는 강건한 QAHE 상태의 발생을 가능하게 한다.