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

Zheng Liu, Yulei Han+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2020

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

该论文提出一种Pt₂HgSe₃与CrI₃的范德华异质结构，作为拓扑谷电子学的平台，其中层间磁性近邻耦合与强自旋轨道耦合诱导出具有17.8 meV拓扑能隙的谷极化陈绝缘体，经h-BN封装后能隙增强至30.8 meV，实现了可电控的谷极化及鲁棒的拓扑边缘态，适用于低功耗器件。

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.

研究动机与目标

• 识别一种支持大谷分裂与鲁棒拓扑能隙的二维范德华异质结构，实现谷极化的陈绝缘体。
• 通过与CrI₃磁性的耦合，实现对谷极化的电、磁和机械调控。
• 通过h-BN封装实现增强的拓扑保护与更大的能带隙，以促进可扩展的器件集成。
• 展示轨道磁化驱动的光学与输运响应，用于探测谷指数。
• 建立具有可调谷、自旋和层自由度的超晶格平台，实现多功能拓扑电子学。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算模拟Pt₂HgSe₃/CrI₃异质结构的电子结构。
• 引入自旋轨道耦合（SOC）及界面Rashba自旋轨道耦合，以解除谷简并并打开拓扑能隙。
• 系统研究CrI₃厚度对能带结构与拓扑能隙的影响。
• 建模h-BN封装，评估其在保护与增强拓扑相中的作用。
• 计算轨道磁化与自旋磁化，评估其对光学Kerr效应与反常霍尔效应的贡献。
• 模拟堆叠顺序与磁化反转，以展示对谷极化与陈数的控制能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 Pt₂HgSe₃与CrI₃的范德华异质结构能否容纳具有大拓扑能隙的谷极化陈绝缘体？
• RQ2 界面Rashba自旋轨道耦合如何在K′谷打开拓扑能带隙？
• RQ3 h-BN封装在多大程度上增强拓扑能隙并保护拓扑相？
• RQ4 能否通过切换CrI₃的磁性来实现对谷极化与陈数的电控？
• RQ5 轨道磁化在实现谷态光学探测中起什么作用？

主要发现

• Pt₂HgSe₃/CrI₃异质结构由于层间磁性近邻耦合与强本征自旋轨道耦合，表现出超过100 meV的谷分裂。
• 通过界面Rashba自旋轨道耦合，在K′谷打开17.8 meV的拓扑能带隙，形成陈数非零的陈绝缘体。
• h-BN封装将拓扑能带隙提升至30.8 meV，同时保持大的谷分裂。
• Pt₂HgSe₃中表现出大的轨道磁化，显著超过自旋磁化，从而实现可探测的光学Kerr效应。
• 谷极化与陈数对CrI₃厚度增加具有鲁棒性，并与CrI₃的磁性耦合，可通过电、磁或机械方式实现调控。
• 堆叠顺序反转与磁化切换可独立控制谷极化与陈数，实现具有可调自旋、谷与层自由度的多功能超晶格。