[论文解读] Magnetization of Topological Surface States of Topological Insulators by Two-dimensional Ferromagnetism

Yusheng Hou, Ruqian Wu|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 1被引用 2

一句话总结

本研究证明，CrI3/Bi2Se3/CrI3 的范德华异质结可通过二维铁磁性，使三维拓扑绝缘体 Bi2Se3 的拓扑表面态发生磁化，从而实现具有显著能隙的陈绝缘体，尤其在较厚的 Bi2Se3 层（六个或更多量子多层）中表现更佳，为实验实现高温量子反常霍尔效应提供了有前景的途径。

ABSTRACT

Magnetization of the topological surface states of topological insulators is critical to designing and creating next-generation innovative and novel spintronic devices. Here we discover through density functional calculations that the emerging two-dimensional (2D) ferromagnetism discovered in the insulating monolayer CrI3 by recent experiments [B. Huang et al., Nature (London) 546, 270 (2017)] can magnetize the topological surface states of the prototypical three-dimensional (3D) topological insulator Bi2Se3 by building van der Waals (vdW) heterostructures CrI3/Bi2Se3/CrI3. Excitingly, such heterostructures with six and more quintuple layers of Bi2Se3 are the long-term sought Chern insulators. Moreover, the band gaps of these Chern insulators are noticeably increased by reducing their vdW gaps. Our work demonstrates contacting 3D topological insulators with the emerging 2D ferromagnetism is a highly promising frontier to realize the high-temperature quantum anomalous Hall effect experimentally in the future.

研究动机与目标

• 探索利用二维铁磁材料诱导三维拓扑绝缘体拓扑表面态磁化的可行性。
• 解决在实验可实现温度下实现量子反常霍尔效应的长期挑战。
• 研究 CrI3/Bi2Se3/CrI3 范德华异质结是否能形成具有可观能隙的陈绝缘体。
• 确定 Bi2Se3 的厚度以及范德华间隙对异质结构拓扑和磁性特性的影响。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）计算，模拟 CrI3/Bi2Se3/CrI3 范德华异质结的电子和磁性性质。
• 构建具有不同数量量子多层 Bi2Se3 的异质结，特别关注六个或更多层的情况。
• 分析能带结构和自旋纹理，以识别非平凡陈绝缘体相的出现。
• 评估减小范德华间隙对能隙大小和拓扑特性的影响。
• 使用自旋极化计算确认铁磁排列及其与 Bi2Se3 表面态的耦合。
• 评估该异质结体系的稳定性和磁性近邻效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 CrI3 中的二维铁磁性能否在 Bi2Se3 拓扑表面态中诱导出强磁化？
• RQ2 具有足够厚度 Bi2Se3 的 CrI3/Bi2Se3/CrI3 异质结是否表现出非平凡的陈绝缘体相？
• RQ3 减小 CrI3 与 Bi2Se3 之间的范德华间隙如何影响拓扑能隙？
• RQ4 Bi2Se3 的厚度在稳定该异质结体系中大能隙陈绝缘体方面起什么作用？
• RQ5 该异质结设计能否实现高温量子反常霍尔效应的实验实现？

主要发现

• CrI3/Bi2Se3/CrI3 异质结通过二维铁磁性 CrI3 的近邻效应，成功地使 Bi2Se3 拓扑表面态发生磁化。
• 具有六个或更多量子多层 Bi2Se3 的异质结表现出非平凡的陈绝缘体相，证实了其拓扑特性。
• 当 CrI3 与 Bi2Se3 之间的范德华间隙减小时，陈绝缘体态的能隙显著增强。
• 该体系表现出稳定的大能隙拓扑态，适用于潜在的高温量子反常霍尔效应应用。
• 磁性近邻效应足够强，可在 Bi2Se3 表面态中诱导出稳定的铁磁有序。
• 研究结果确立了一条可行路径，可通过二维铁磁性和三维拓扑绝缘体设计，实现高温拓扑量子器件。