[論文レビュー] Electronic transport and the related anomalous effects in silicene-like hexagonal lattice

Chen-Huan Wu|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2018

Graphene research and applications参考文献 41被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、シリセンのような六方晶格における異常な電子輸送を調査し、ベリー曲率に起因する効果、例えば内在的量子異常ホール効果や異常速度に注目している。スピン軌道結合および電場によって調整されるラシュバ結合が、トポロジカルスピン輸送、回避された準位クロスイングによるバンドギャップ、およびジョセフソン接合における特徴的なアンドレエフ反射をもたらすことを示している。これらの結果は、スピントロニクスおよびバレークトロニクスに応用される可能性を示唆している。

ABSTRACT

We investigate the anomalous effects due to the Berry correction and the considerable perturbations in the silicene-like hexagonal lattice system. The Berry curvature in periodic Bloch band system which related to the electromagnetic field is explored, the induced transverse anomalous velocity gives rise to the intrinsic Hall conductivity (without the vertex correction) expecially in the quantum anomalous Hall phase. The quantum anomalous Hall effect which related to the anomalous velocity term is detected, including the band avoided corssing effect and the generated special band gap. %{Enlarged Galilean symmetry of anyons and the Hall effect} The topological spin transport is affected by the Berry curvature %{Topological spin transport of a relativistic electron} %{Anomalous direction for skyrmion bubble motion} and the spin-current-induced Skyrmion spin texture motion is contrasted between the quantum spin Hall effect and quantum anomalous Hall effect. Since silicene involving the orbital degree of freedom, the orbital magnetic moment and orbital magnetization contributes significantly to the electronic transport properties of silicene %{Photoinduced quantum spin and valley Hall effects, and orbital magnetization in monolayer MoS2} as explored in this article. We also investigate the electronic tunneling properties of silicene in Josephon junction with the electric-field-induced Rashba-coupling, the anomalous effect due to the Berry phase is mentioned. Our results is meaningful to the application of the spintronics and valleytronics base on the silicene-like topological insulators.

研究の動機と目的

• ベリー曲率がシリセンに類似した系における異常な電子輸送に果たす役割を理解すること。
• スピン軌道結合、電場、およびトポロジカル相の間の相乗作用をシリセンにおいて調査すること。
• 軌道磁気モーメントおよび軌道磁化が輸送特性に与える影響を分析すること。
• ラシュバ結合と異常アンドレエフ反射を有するジョセフソン接合の挙動を検討すること。
• 量子スピンホール相と量子異常ホール相におけるトポロジカルスピン輸送の比較

提案手法

• スピン軌道結合および外部場を含むシリセンの有効ハミルトニアンとして、低エネルギーディラックタイトバインディングモデルを用いる。
• 幾何位相補正を施した運動方程式を用いて、ベリー曲率および異常速度を計算する。
• 波動関数マッチングおよび散乱行列形式を用いて、アンドレエフ束縁状態分散を導出する。
• 束縁状態エネルギー式におけるレトロおよびスペキュラーなアンドレエフ反射を区別するためにヘヴィサイドのステップ関数を組み込む。
• 電場およびラシュバ結合の役割を評価し、等スピンアンドレエフ反射およびスピンテクスチャのダイナミクスを可能にする。
• 回避された準位クロスイングおよびチーン数の量子化を用いて、トポロジカル相を特定するためのバンド構造を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 頂点補正なしに、ベリー曲率がどのように内在的異常ホール電導度を誘導するか？
• RQ2 スピン軌道結合および電場が量子異常ホール効果を生成する役割は何か？
• RQ3 軌道磁気モーメントは、シリセンに類似した系における電子輸送にどのように影響を与えるか？
• RQ4 シリセンジョセフソン接合における異常等スピンアンドレエフ反射が成立する条件は何か？
• RQ5 量子スピンホール相と量子異常ホール相において、スピンおよびバレーのテクスチャの運動はどのように異なるか？

主な発見

• 回避された準位クロスイングに起因する特別なバンドギャップと非ゼロのチーン数を伴い、内在的量子異常ホール効果が出現する。
• ベリー曲率に起因する異常速度により、外部磁場が存在しない状態でも横方向のホール電導度が生じる。
• スピン電流によって誘導されるスカイミオンテクスチャの運動は、量子スピンホール相と量子異常ホール相で顕著に異なる。
• 軌道磁気モーメントおよび軌道磁化は、特に $v_F \approx c/500$ の非相対論的シリセンにおいて、輸送に顕著な寄与を示す。
• ラシュバ結合が接合で有効に働くことで、$\varepsilon < \mu + m_D^{\eta s_z\tau_z}$ の条件下で異常等スピンアンドレエフ反射が発生する。
• アンドレエフ束縁状態エネルギーは波数成分、化学ポテンシャル、および複素数の運動量に依存し、準位ギャップ領域では減衰モードが存在する。