[论文解读] Quantum Anomalous Hall and Valley Quantum Anomalous Hall Effects in Two-Dimensional d0 Orbital XY Monolayers

Kang Wang, Yihui Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用 6

一句话总结

本文提出了一类新型二维d⁰轨道XY单层材料（X = K, Rb, Cs；Y = N, P, As, Sb, Bi），其表现出本征的量子反常霍尔效应（QAHE），在CsSb中还展现出巨大的能级劈裂的非凡谷QAHE。该效应源于自旋极化的p轨道态与强自旋轨道耦合，且通过面内应变诱导的pₓ,ᵧ与p_z轨道之间的能带反转，可调控其拓扑性质。

ABSTRACT

We propose a new family of the d0 orbital XY (X = K, Rb, Cs; Y = N, P, As, Sb, Bi) monolayers with abundant and novel topology and valley properties. The KN, RbN, RbP, RbAs, CsP, CsAs, and CsSb monolayers possess remarkable quantum anomalous Hall effect (QAHE). CsSb monolayer also exhibits extraordinary valley QAHE with giant splitting. Moreover, the topological properties of XY monolayers can be effciently tuned by the in-plane strain, owing to the strain-induced band inversion between the px;y and pz orbitals. Our findings suggest that the d0 orbital XY monolayers can be good candidates for promising applications in the spintronics and multifunctional topological-based devices.

研究动机与目标

• 识别不含过渡金属的新型二维材料，其具有本征的量子反常霍尔效应（QAHE）。
• 探索在破坏反演对称性的d⁰体系中，谷极化与谷特异性QAHE的出现机制。
• 证明这些材料的拓扑性质可通过面内应变实现高效调控。
• 基于p轨道磁性，建立高温、多功能拓扑材料的设计原则。

提出的方法

• 采用VASP软件包进行第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，使用PBE-GGA泛函。
• 采用500 eV平面波截断能及Γ中心k点网格（优化时为15×15×1，自洽计算时为24×24×1）。
• 施加面内双轴应变，以ε = (a − a₀)/a₀ × 100%为参数，探测拓扑相变。
• 计算贝里曲率与边缘态，以确认非平庸陈数与手性边缘输运。
• 分析轨道特征及应变下pₓ,ᵧ与p_z轨道之间的能带反转。
• 系统研究CsBi、CsSb、CsP、RbBi及其他XY单层材料，以验证应变可调拓扑相变的普适性。

实验结果

研究问题

• RQ1 d⁰轨道二维单层材料是否可在无磁性d/f电子的情况下表现出本征的量子反常霍尔效应？
• RQ2 p轨道体系中非平庸能隙与自旋极化是否存在导致谷选择性输运？
• RQ3 面内应变是否可在这些d⁰体系中诱导从平凡绝缘体到量子反常霍尔绝缘体的拓扑相变？
• RQ4 自旋轨道耦合与轨道杂化在CsSb等材料中实现巨大谷能级劈裂的过程中起何种作用？
• RQ5 应变诱导的能带反转机制是否在XY单层材料家族中具有普适性？

主要发现

• KN、RbN、RbP、RbAs、CsP、CsAs与CsSb单层材料表现出稳定的量子反常霍尔效应，具有非平庸的陈数。
• CsSb单层材料展现出非凡的谷量子反常霍尔效应，具有巨大的谷极化能级劈裂。
• K’点处的能带隙随Y元素原子序数增加而减小，在CsSb处闭合，表明此处为拓扑相变点。
• 在CsBi中，当压缩应变达到6%时，能带隙关闭，触发从平凡绝缘体到QAHI的相变，其机制为应变诱导的能带反转。
• 面内压缩应变可诱导pₓ,ᵧ与p_z轨道之间的能带反转，从而实现拓扑相变，而拉伸应变则不能。
• 应变可调的能带反转机制在XY单层材料家族中具有普适性，涵盖CsSb、CsP、CsBi与RbBi等材料。