[논문 리뷰] Van der Waals Heterostructure Pt$_{2}$HgSe$_{3}$/CrI$_3$ for Topological Valleytronics

Zheng Liu, Yulei Han외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 24.

Topological Materials and Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 상전이 밸런스가 있는 Pt₂HgSe₃와 CrI₃의 반데르발스 이중층을 통해 토폴로지컬 밸런스트로닉스 플랫폼을 제안하며, 이중층 간의 자기적 근접 결합과 강한 스핀 오비탈 상호작용이 밸런스 편향된 치르누스 절연체를 유도하여 17.8 meV의 토폴로지적 갭을 형성하고, h-BN 봉입을 통해 30.8 meV로 증가시켜 전기적으로 스위칭 가능한 밸런스 편향 및 저전력 장치를 위한 강건한 토폴로지적 모서리 상태를 실현한다.

ABSTRACT

We identify a valley-polarized Chern insulator in the van der Waals heterostructure, Pt$_{2}$HgSe$_{3}$/CrI$_3$, for potential applications with interplay between electric, magnetic, optical, and mechanical effects. The interlayer proximity magnetic coupling nearly closes the band gap of Pt$_{2}$HgSe$_{3}$ and the strong intra-layer spin-orbit coupling further lifts the valley degeneracy by over 100 meV leading to positive and negative band gaps at opposite valleys. In the valley with negative gap, the interfacial Rashba spin-orbit coupling opens a topological band gap of 17.8 meV, which is enlarged to 30.8 meV by adding an $h$-BN layer. We find large orbital magnetization in Pt$_{2}$HgSe$_{3}$ layer that is much larger than spin, which can induce measurable optical Kerr effect. The valley polarization and Chern number are coupled to the magnetic order of the nearest neighboring CrI$_3$ layer, which is switchable by electric, magnetic, and mechanical means in experiments. The presence of $h$-BN protects the topological phase allowing the construction of superlattices with valley, spin, and layer degrees of freedoms.

연구 동기 및 목표

• 큰 밸런스 분리와 강건한 토폴로지적 갭을 지닌 밸런스 편향 치르누스 절연체를 지지하는 2D 반데르발스 이중층을 규명하는 것.
• CrI₃의 자성과의 결합을 통해 밸런스 편향을 전기적, 자성적, 기계적으로 제어할 수 있도록 하는 것.
• h-BN 봉입을 통해 토폴로지적 보호를 향상시키고 더 넓은 밴드 갭을 달성하여 스케일러블 장치 통합을 가능하게 하는 것.
• 오비탈 자화가 유도하는 광학적 및 전도적 반응을 통해 밸런스 인덱스 감지를 증명하는 것.
• 조절 가능한 밸런스, 스핀, 층 자유도를 지닌 초격자 플랫폼을 구축하여 다기능 토폴로지컬 전자소자 구현을 위한 것.

제안 방법

• Pt₂HgSe₃/CrI₃ 이중층의 전자 구조를 모델링하기 위해 최초 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 사용한다.
• 스핀 오비탈 상호작용(SOC)과 계면 라슈바 SOC를 포함하여 밸런스 degeneracy를 제거하고 토폴로지적 갭을 열어준다.
• CrI₃ 두께가 밴드 구조와 토폴로지 갭에 미치는 영향을 체계적으로 연구한다.
• h-BN 봉입을 모델링하여 그가 토폴로지 상태를 보호하고 강화하는 데 기여하는지 평가한다.
• 오비탈 및 스핀 자화를 계산하여 광학적 케러 효과와 비정상 홀 효과에 기여하는 기여도를 평가한다.
• 스택 순서와 자화 반전을 시뮬레이션하여 밸런스 편향과 치르누스 수를 제어 가능함을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Pt₂HgSe₃와 CrI₃의 반데르발스 이중층이 큰 토폴로지적 갭을 지닌 밸런스 편향 치르누스 절연체를 지닐 수 있는가?
• RQ2 계면 라슈바 스핀 오비탈 상호작용이 K′ 밸런스에서 토폴로지 밴드 갭을 열기에 어떤 기여를 하는가?
• RQ3 h-BN 봉입이 토폴로지 갭을 얼마나 향상시키고 토폴로지 상태를 얼마나 잘 보호하는가?
• RQ4 CrI₃의 자성을 스위칭함으로써 밸런스 편향과 치르누스 수를 전기적으로 제어할 수 있는가?
• RQ5 오비탈 자화가 밸런스 상태의 광학적 감지에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• Pt₂HgSe₃/CrI₃ 이중층은 이중층 간의 자기적 근접 결합과 강한 내재 스핀 오비탈 상호작용으로 인해 100 meV 이상의 밸런스 분리가 발생한다.
• 계면 라슈바 스핀 오비탈 상호작용으로 K′ 밸런스에서 17.8 meV의 토폴로지 밴드 갭이 열려 비제로 치르누스 수를 지닌 치르누스 절연체가 형성된다.
• h-BN 봉입을 통해 토폴로지 밴드 갭은 30.8 meV로 증가하지만, 큰 밸런스 분리는 유지된다.
• Pt₂HgSe₃에서는 큰 오비탈 자화가 관찰되며, 스핀 자화보다 크게 초과하여 감지 가능한 광학적 케러 효과를 유도한다.
• 밸런스 편향과 치르누스 수는 CrI₃ 두께 증가에 대해 강건하며, CrI₃의 자성과 결합되어 전기적, 자성적, 기계적 수단으로 제어 가능하다.
• 스택 순서의 반전과 자화 스위칭을 통해 밸런스 편향과 치르누스 수를 독립적으로 제어할 수 있으며, 조절 가능한 스핀, 밸런스, 층 자유도를 지닌 다기능 초격자 구현이 가능하다.