[论文解读] Berry curvature switch and magneto-electric effect in WTe$_2$ monolayer

Shi Li-kun, Justin C. W. Song|arXiv (Cornell University)|May 2, 2018

Topological Materials and Phenomena被引用 3

一句话总结

该论文提出，由于结构不对称性和在垂直电场下破坏反演对称性，单层 1T'-WTe₂ 展现出可电调控的体 Berry 曲率和磁矩。该体系在 Berry 曲率和磁化强度上表现出类似开关的响应，实现了门控可调的量子反常霍尔电流和动力学磁电效应，凸显其在低对称性二维材料中实现量子几何与自旋电子现象全电控方面的潜力。

ABSTRACT

We argue that monolayer 1T'-WTe$_2$ possesses an electrically tunable bulk band quantum geometry (e.g., Berry curvature). In particular we find that, due to its asymmetric structure, an applied out-of-plane electric field breaks inversion symmetry to induce both Rashba as well as Zeeman spin-orbit coupling. These in turn enable a bulk band Berry curvature and magnetic moment distribution to develop. Strikingly, Berry curvature and magnetic moment exhibit a sharp switch-like behavior saturating to an intrinsic value when in-plane inversion symmetry breaking is strong. Due to its low symmetry, Berry curvature and magnetic moment in 1T'-WTe$_2$ possess a dipole-like distribution. These manifest as (gate-tunable) quantum non-linear anomalous Hall currents and current induced magnetization (kinetic magneto-electric effect) respectively --- a hallmark of the particularly low symmetry of 1T'-WTe$_2$. Taken together these render it a rich two-dimensional platform for all-electrical control over quantum geometric effects as well as spin/magnetic texture.

研究动机与目标

• 研究单层 1T'-WTe₂ 由于其低对称性晶格结构而出现的电可调量子几何效应的起源。
• 理解通过垂直电场破坏反演对称性如何诱导 Rashba 和 Zeeman 型自旋轨道耦合。
• 探讨在无外磁场条件下，体 Berry 曲率和磁矩分布的形成机制。
• 展示量子几何和磁性性质中存在类似开关的、门控可调的响应行为。
• 确立 1T'-WTe₂ 作为实现反常霍尔电流和动力学磁电效应全电控的平台。

提出的方法

• 使用从头算电子结构计算，模拟外电场下单层 1T'-WTe₂ 的能带结构和量子几何。
• 分析反演对称性破缺对自旋轨道耦合的影响，特别识别 Rashba 和 Zeeman 类项的出现。
• 从布洛赫波函数计算 Berry 曲率分布，以量化非平凡的量子几何响应。
• 评估由 Berry 曲率引起的磁矩分布，其因低对称性而呈现偶极子特征。
• 从 Berry 曲率和自旋纹理推导量子反常霍尔电流和动力学磁电效应。
• 施加栅压以调节电场，观察 Berry 曲率和磁化强度的类似开关的饱和行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 垂直电场如何在单层 1T'-WTe₂ 的 Berry 曲率中诱导类似开关的响应？
• RQ2 1T' 相的低对称性在塑造 Berry 曲率和磁矩的偶极子分布中起什么作用？
• RQ3 在 1T'-WTe₂ 中，Rashba 和 Zeeman 自旋轨道耦合的相互作用是否能产生无需外磁场的可调体磁矩？
• RQ4 该体系中量子反常霍尔电流在多大程度上可通过栅压实现控制？
• RQ5 动力学磁电效应如何从 1T'-WTe₂ 的量子几何响应中产生？

主要发现

• 施加的垂直电场破坏了单层 1T'-WTe₂ 的反演对称性，诱导出 Rashba 和 Zeeman 自旋轨道耦合。
• 由此产生的自旋轨道耦合生成了非零的体 Berry 曲率，其在强面内反演对称性破缺下趋于一个本征值。
• Berry 曲率和磁矩随电场表现出急剧的、类似开关的行为，表明其具有强可调性。
• 1T'-WTe₂ 的低对称性导致 Berry 曲率和磁矩呈现偶极子分布，与高对称性体系形成鲜明对比。
• 该体系支持由电场调控的 Berry 曲率所决定的门控可调非线性反常霍尔电流。
• 动力学磁电效应得以显现，其中电流可诱导可调磁化，展示了对自旋和磁结构的全电控能力。