[论文解读] Intrinsic Quantum Anomalous Hall Effect in the Kagome Lattice Cs2LiMn3F12

Gang Xu, Biao Lian+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2015

Advanced Condensed Matter Physics被引用 18

一句话总结

本论文通过铁磁有序和自旋-轨道耦合，在单层Cs2Mn3F12以及Cs2LiMn3F12的(001)表面kagome晶格中提出了本征量子反常霍尔（QAH）效应，实现了约20 meV的拓扑能隙。该效应源于2/3填充时的非平庸陈能带，经从头算计算和简化的紧束缚模型验证，实现了无需随机掺杂的高温本征QAH态。

ABSTRACT

In a kagome lattice, the time reversal symmetry can be broken by a staggered magnetic flux emerging from ferromagnetic ordering and intrinsic spin-orbit coupling, leading to several wellseparated nontrivial Chern bands and intrinsic quantum anomalous Hall effect. Based on this idea and ab initio calculations, we propose the realization of the intrinsic quantum anomalous Hall effect in the single layer Cs2Mn3F12 kagome lattice and on the (001) surface of a Cs2LiMn3F12 single crystal by modifying the carrier coverage on it, where the band gap is around 20 meV. Moreover, a simplified tight binding model based on the in-plane ddσantibonding states is constructed to understand the topological band structures of the system.

研究动机与目标

• 识别无需随机掺杂的本征量子反常霍尔（QAH）材料，其工作温度高于Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3等掺杂体系。
• 探索kagome晶格材料，特别是Cs2LiMn3F12，在铁磁有序与强自旋-轨道耦合作用下实现本征QAH效应的潜力。
• 证明在表面或单层kagome晶格中实现2/3填充时，可形成具有可测量能隙的拓扑非平庸绝缘态。
• 基于面内ddσ反键态构建简化的紧束缚模型，以解释拓扑能带结构与陈数量子化。

提出的方法

• 使用BSTATE软件包进行从头算密度泛函理论（DFT）计算，采用超软赝势和GGA-PBE交换关联泛函。
• 基于面内ddσ反键态构建最小紧束缚模型，以描述K和K′点附近的低能物理行为。
• 应用最大局域化Wannier函数和格林函数技术，计算半无限厚板中的边缘态。
• 通过顶端Li和Cs原子的钝化调节表面载流子浓度，实现(001)表面层的2/3填充。
• 计算包含自旋-轨道耦合时的磁矩和能带结构，以确认陈数C=1和绝缘能隙的存在。
• 分析Dirac点附近的有效哈密顿量，显示其形式与Haldane模型相同，质量项为m_soc = 2t2/3，控制拓扑相变。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在无需磁性掺杂的kagome晶格材料中，通过本征自旋-轨道耦合与铁磁序实现本征量子反常霍尔效应？
• RQ2 2/3电子填充在Cs2Mn3F12的kagome晶格中对稳定拓扑非平庸绝缘态起何种作用？
• RQ3 在单层铁磁kagome晶格中引入自旋-轨道耦合后，能带结构与陈数如何演化？
• RQ4 能否通过表面钝化调节表面载流子浓度，在Cs2LiMn3F12的(001)表面实现QAH效应？
• RQ5 控制拓扑相的低能有效哈密顿量是什么？其与Haldane模型有何关联？

主要发现

• 当包含自旋-轨道耦合时，单层Cs2Mn3F12 kagome晶格表现出约20 meV的拓扑能隙，证实了陈数C=1的本征QAH绝缘体相。
• 从头算计算表明，无自旋-轨道耦合时系统为无能隙半金属，但引入自旋-轨道耦合后打开20 meV能隙，表明发生了拓扑相变。
• 基于Wannier函数的边缘态计算揭示了在价带与导带之间存在单一手性边缘态，证实了陈数C=1的拓扑特性。
• 在Cs2LiMn3F12的(001)表面，通过Li/Cs原子钝化调节表面载流子浓度，实现2/3填充，形成4 meV的绝缘能隙和手性边缘态，表明存在表面QAH效应。
• 基于ddσ反键态的简化紧束缚模型再现了狄拉克锥结构与拓扑相变，其有效哈密顿量与Haldane模型一致，质量项为m_soc = 2t2/3。
• 表面Mn原子的磁矩为3.6 μB/Mn，体相Mn原子的磁矩为4.0 μB/Mn，表明存在强铁磁有序，表面层表现为2D kagome晶格，支持QAH效应。