[论文解读] Electronic transport and the related anomalous effects in silicene-like hexagonal lattice

Chen-Huan Wu|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2018

Graphene research and applications参考文献 41被引用 11

一句话总结

本文研究了类似硅烯的六角晶格中的异常电子输运，重点探讨了由贝里曲率引起的效应，如本征量子反常霍尔效应和异常速度。研究表明，自旋-轨道耦合与电场调控的拉比耦合可导致拓扑自旋输运、通过 avoided level crossings 形成的能隙，以及约瑟夫森结中的独特 Andreev 反射，对自旋电子学和谷电子学具有重要意义。

ABSTRACT

We investigate the anomalous effects due to the Berry correction and the considerable perturbations in the silicene-like hexagonal lattice system. The Berry curvature in periodic Bloch band system which related to the electromagnetic field is explored, the induced transverse anomalous velocity gives rise to the intrinsic Hall conductivity (without the vertex correction) expecially in the quantum anomalous Hall phase. The quantum anomalous Hall effect which related to the anomalous velocity term is detected, including the band avoided corssing effect and the generated special band gap. %{Enlarged Galilean symmetry of anyons and the Hall effect} The topological spin transport is affected by the Berry curvature %{Topological spin transport of a relativistic electron} %{Anomalous direction for skyrmion bubble motion} and the spin-current-induced Skyrmion spin texture motion is contrasted between the quantum spin Hall effect and quantum anomalous Hall effect. Since silicene involving the orbital degree of freedom, the orbital magnetic moment and orbital magnetization contributes significantly to the electronic transport properties of silicene %{Photoinduced quantum spin and valley Hall effects, and orbital magnetization in monolayer MoS2} as explored in this article. We also investigate the electronic tunneling properties of silicene in Josephon junction with the electric-field-induced Rashba-coupling, the anomalous effect due to the Berry phase is mentioned. Our results is meaningful to the application of the spintronics and valleytronics base on the silicene-like topological insulators.

研究动机与目标

• 理解贝里曲率在类似硅烯体系中异常电子输运中的作用。
• 研究自旋-轨道耦合、电场与硅烯中拓扑相之间的相互作用。
• 分析轨道磁矩和轨道磁化强度对输运性质的影响。
• 研究具有拉比耦合和异常 Andreev 反射的约瑟夫森结行为。
• 比较量子自旋霍尔相与量子反常霍尔相中的拓扑自旋输运。

提出的方法

• 采用包含自旋-轨道耦合和外场的低能狄拉克紧束缚模型来构建硅烯的有效哈密顿量。
• 利用带有几何相位修正的半经典运动方程计算贝里曲率和异常速度。
• 通过波函数匹配和散射矩阵形式化推导 Andreev 界态色散关系。
• 引入 Heaviside 阶跃函数以在界态能量表达式中区分 retro 和 specular Andreev 反射。
• 评估电场和拉比耦合在实现等自旋 Andreev 反射及自旋纹理动力学中的作用。
• 通过避免交叉的能带结构和陈数量化分析来识别拓扑相。

实验结果

研究问题

• RQ1 贝里曲率如何在无顶点修正的情况下诱导硅烯中本征的异常霍尔电导率？
• RQ2 自旋-轨道耦合与电场在产生量子反常霍尔效应中的作用是什么？
• RQ3 轨道磁矩如何影响类似硅烯体系中的电子输运？
• RQ4 硅烯约瑟夫森结中异常等自旋 Andreev 反射的条件是什么？
• RQ5 在量子自旋霍尔相与量子反常霍尔相下，自旋和谷纹理的运动有何不同？

主要发现

• 当陈数非零且由于避免交叉形成特殊能隙时，本征量子反常霍尔效应出现。
• 由贝里曲率引起的异常速度可在无外加磁场时产生横向霍尔电导率。
• 自旋电流诱导的 Skyrmion 纹理运动在量子自旋霍尔相与量子反常霍尔相之间存在显著差异。
• 轨道磁矩和轨道磁化强度对输运有显著贡献，尤其在非相对论性硅烯（$v_F \approx c/500$）中更为明显。
• 当 $\varepsilon < \mu + m_D^{\eta s_z\tau_z}$ 时，由于结区的拉比耦合，发生异常等自旋 Andreev 反射。
• Andreev 界态能量依赖于波矢分量、化学势和复动量，在能隙区域内存在倏逝模。