[論文レビュー] Quantum Anomalous Hall Effect in Magnetic Topological Insulator GdBiTe3

Haijun Zhang, Xiao Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2011

Topological Materials and Phenomena参考文献 22被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、磁性トポロジカル絶縁体GdBiTe₃の単一クインティプレット層（QL）が、外部磁場が不要な条件下で量子異常ホール（QAH）絶縁体としての化学计量的性質を有することを提案している。第一原理計算により、強磁性秩序、非ゼロのチーン数、およびバルクギャップ内に安定したキラルエッジ状態が確認され、スピン軌道結合と内在する磁性モーメントによって安定化されるトポロジカルに非自明な相であることが示された。

ABSTRACT

The quantum anomalous Hall (QAH) state is a two-dimensional bulk insulator with a non-zero Chern number in absence of external magnetic fields. Protected gapless chiral edge states enable dissipationless current transport in electronic devices. Doping topological insulators with random magnetic impurities could realize the QAH state, but magnetic order is difficult to establish experimentally in the bulk insulating limit. Here we predict that the single quintuple layer of GdBiTe3 film could be a stoichiometric QAH insulator based on ab-initio calculations, which explicitly demonstrate ferromagnetic order and chiral edge states inside the bulk gap. We further investigate the topological quantum phase transition by tuning the lattice constant and interactions. A simple low-energy effective model is presented to capture the salient physical feature of this topological material.

研究の動機と目的

• ランダムな磁性ドーピングが不要な化学計量化、内在的QAH絶縁体の同定を目的とする。
• レアアースドープバイスマスチウリド科に属するGdBiTe₃が、内在的強磁性および強いスピン軌道結合のおかげでQAH状態を有可能にするかを調査することを目的とする。
• 格子定数と電子相関（U）を調整することで、GdBiTe₃におけるトポロジカル相転移の条件を特定することを目的とする。
• この系におけるQAH状態の本質的物理を捉える低エネルギー有効モデルの構築を目的とする。
• 分子線エpitaxyまたは剥離によって実験的実現が可能な実用的プラットフォームの提供を目的とする。

提案手法

• GdBiTe₃における強い電子相関およびトポロジカル効果を考慮するため、GGA+Uおよびスピン軌道結合（SOC）を用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算。
• 計算の一貫性を確保するため、BSTATEおよびVASPコードを用い、平面波擬ポテンシャルおよび投影加重波（PAW）手法を適用。
• 実験的に測定された格子定数（a = 4.16 Å）とイオン格子の最適化を用いた、自由状態の単一QLスラブモデルを採用。
• 格子定数およびハーバードUパラメータを系統的に変化させ、トポロジカル相図をマッピング。
• ディラック点付近のバンド反転およびトポロジカル転移を記述する低エネルギー有効モデルの構築。
• 局所状態密度（LDOS）を用いたエッジ状態の分析により、QAH相におけるキラル輸送チャネルの確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 化学計量化、内在的磁性トポロジカル絶縁体たるGdBiTe₃が、ランダムな磁性ドーピングなしに量子異常ホール効果を実現可能か？
• RQ2 スピン軌道結合および内在的強磁性が、GdBiTe₃における非自明なチーン絶縁体相を安定化させる役割を果たすか？
• RQ3 格子ひずみおよび電子相関（U）が、単一QL GdBiTe₃におけるトポロジカル相転移に与える影響は何か？
• RQ4 予測されたQAH相におけるエッジ状態の性質は何か？また、自明な強磁性絶縁体のそれとはどのように異なるか？
• RQ5 低エネルギー有効モデルは、この系における自明な絶縁体からQAH状態へのトポロジカル相転移を正確に記述可能か？

主な発見

• GdBiTe₃の単一クインティプレット層は、非ゼロのチーン数（C = 1）とバルクギャップを有する化学計量化QAH絶縁体であると予測された。
• 第一原理計算により、[111]方向に整列した安定した強磁性基底状態が確認され、Gd³⁺イオン1個あたりの全スピン磁性モーメントはS = 7/2であった。
• LDOS計算により、バルクギャップ内に安定したキラルエッジ状態が確認され、トポロジカルに自明な強磁性相では観察されない。
• 臨界的格子定数1.008a₀において、QAH相（トポロジカルに非自明）から自明な強磁性絶縁体相へのトポロジカル相転移が発生する。
• 小さなハーバードU（< 4.3 eV）ではQAH相が安定化するが、Uの増加に伴い、トポロジカルに自明な強磁性絶縁体相へと移行する。
• 相転移点では2次元ディラックコーンが形成され、伝導帯と価電子帯が接する。これはバンド反転を介したトポロジカル量子相転移を示唆する。