[论文解读] Quantum spin Hall effect and topological phase transitions in honeycomb antiferromagnets

Chengwang Niu, Jan-Philipp Hanke+5 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2017

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 9

一句话总结

该论文预测了在二维蜂窝反铁磁体中由于时间反演与空间反演对称性共同作用（$\mathcal{P}\mathcal{T}$）而出现量子自旋霍尔（QSH）效应，功能性化的锡薄膜（X-Sn，X = H, F, Cl, Br, I）为实验上可行的候选材料。显著的是，拉伸应变可诱导从反铁磁序到铁磁序的磁性转变，同时伴随从QSH相到量子反常霍尔（QAH）相的拓扑相变，表现为量子化的自旋和反常霍尔电导率以及受保护的边缘态。

ABSTRACT

While the quantum spin Hall (QSH) effect and antiferromagnetic order constitute two of the most promising phenomena for embedding basic spintronic concepts into future technologies, almost all of the QSH insulators known to date are non-magnetic. Here, based on tight-binding arguments and first-principles theory, we predict two-dimensional antiferromagnets with honeycomb lattice structure to exhibit the QSH effect due to the combined symmetry of time reversal and spatial inversion. We identify functionalized Sn films as experimentally feasible examples which reveal large band gaps rendering these systems ideal for energy efficient spintronics applications. Remarkably, we discover that tensile strain can tune the magnetic order in these materials, accompanied by a topological phase transition from the QSH to the quantum anomalous Hall phase.

研究动机与目标

• 识别在磁序存在下仍能实现量子自旋霍尔（QSH）效应的二维蜂窝反铁磁体。
• 探讨反铁磁体系中磁序与拓扑性质之间的相互作用，特别是应变作用下的行为。
• 识别实验上可行的材料，其中可通过应变诱导的磁性转变来调控拓扑相变。
• 展示在不同应变条件下，单一材料体系中QSH与QAH相的共存。
• 通过在非磁性和磁性绝缘体中实现可调的拓扑相，为反铁磁拓扑自旋电子学提供平台。

提出的方法

• 在蜂窝晶格上采用包含自旋轨道耦合（$\lambda_{SO}$）和反铁磁交换作用（$\lambda_{EX}$）的四带紧束缚模型。
• 利用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，模拟功能性化的锡薄膜（X-Sn），其中X = H, F, Cl, Br, I。
• 施加拉伸应变以调控磁性基态，使其从反铁磁序转变为铁磁序。
• 计算自旋电导率和反常霍尔电导率，以识别拓扑不变量和相变行为。
• 分析锯齿形纳米带中的边缘态，以确认其螺旋（QSH）和手性（QAH）特性。
• 计算贝里曲率并进行动量空间积分，以验证反常霍尔电导率的量子化。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在由$\mathcal{P}\mathcal{T}$对称性保护的二维蜂窝反铁磁体中实现量子自旋霍尔效应？
• RQ2 拉伸应变如何影响功能化锡薄膜中的磁序和拓扑性质？
• RQ3 在这些材料中，应变诱导的磁性转变是否伴随从QSH相到QAH相的拓扑相变？
• RQ4 轨道杂化与自旋极化在应变铁磁态中实现QAH相的过程中起什么作用？
• RQ5 锯齿形纳米带中的边缘态能否区分螺旋（QSH）与手性（QAH）拓扑相？

主要发现

• 功能性化的锡薄膜（X-Sn）具有高达271 meV的带隙，其中I-Sn的带隙为259 meV，使其适用于室温自旋电子学应用。
• 5%的拉伸应变可诱导I-Sn中从反铁磁序到铁磁序的转变，临界能隙为$\Delta E_c = 93$ meV。
• I-Sn的应变铁磁态表现出量子化的反常霍尔电导率$\sigma_{xy}^A = e^2/(2\pi h)$，证实了QAH相的存在。
• 在应变铁磁态中，自旋霍尔电导率仍保持量子化，值为$e/(4\pi)$，表明QSH与QAH相的共存。
• 边缘态分析证实，在未应变的反铁磁H-Sn中存在螺旋边缘态（QSH相），而在应变I-Sn中存在手性边缘态（QAH相）。
• 在除H-Sn外的所有X-Sn化合物中均观察到从QSH到QAH的拓扑相变，而H-Sn在应变下变为金属态。