[论文解读] Quantum Anomalous Hall Effect through Canted Antiferromagnetism

Xiao Li, A. H. MacDonald+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 16

一句话总结

本文提出了一种策略，通过利用具有时间反演奇响应但无净磁化的异常霍尔反铁磁体（AHE AFMs），在二维倾斜反铁磁体中实现高温量子反常霍尔效应（QAHE）。基于具有自旋轨道耦合的4d/5d钙钛矿（001）薄膜模型，研究表明，倾斜反铁磁序与Rashba型自旋轨道耦合可诱导出陈数C=2的量子化霍尔电导，从而在较高温度下实现稳定的QAHE态。

ABSTRACT

Most canted antiferromagnets are also anomalous Hall antiferromagnets (AHE AFMs), i.e. they have an anomalous Hall response and other responses with the same symmetry requirements. We suggest that AHE AFMs are promising materials as hosts for high-temperature quantum anomalous Hall effects. By considering models of two-dimensional (001) perovskite layers with strong spin-orbit coupling that isolates an effective total angular momentum $ ilde{j}= \frac{1}{2}$ subspace of the $t_{2g}$ manifold, we propose a strategy to engineering quantum anomalous Hall antiferromagnets.

研究动机与目标

• 识别AHE AFMs作为实现高温量子反常霍尔效应（QAHE）的有前途宿主，以克服现有QAHE体系的低温限制。
• 通过利用AHE AFMs中受对称性保护的时间反演奇响应，解决在绝缘体中实现稳健QAHE的挑战。
• 提出一个基于2D正方晶格的最小模型，其中钙钛矿层中的有效j̃=1/2 t2g态，通过倾斜反铁磁性与自旋轨道耦合产生量子化霍尔电导。
• 证明交错Zeeman场、正交畸变与Rashba型自旋轨道耦合的组合可稳定具有陈数C=2的QAHE态。

提出的方法

• 在2D正方晶格上构建一个最小s-d模型，利用4d/5d钙钛矿中t2g轨道的强自旋轨道耦合定义低能子空间。
• 通过位点依赖的各向异性和各向异性交换作用建模倾斜反铁磁性，导致净弱铁磁矩和时间反演奇响应。
• 在赝自旋空间引入交错面内Zeeman场，等价于实空间中的交错交换场，以打破时间反演对称性并打开能隙。
• 通过面外氧位移引入Rashba型自旋轨道耦合，生成自旋依赖的跃迁项tR ∝ iσx,y，从而破坏自旋简并。
• 将完整哈密顿量投影到赝自旋空间，并分析所得能带结构，在θ=11°、Jex=0.5tdd、tR=0.1tdd的参数区域内识别出陈数C=2。
• 证明镜像对称性破缺与正交畸变对生成所需Rashba型自旋轨道耦合及保持粒子-空穴对称性至关重要。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有大异常霍尔效应的倾斜反铁磁体（AHE AFMs）是否可在较高温度下宿主稳定的量子反常霍尔效应（QAHE）？
• RQ2 倾斜反铁磁序与自旋轨道耦合如何在二维钙钛矿薄膜中协同产生量子化霍尔电导？
• RQ3 正交畸变与面外氧位移在t2g态中起什么作用以实现Rashba型自旋轨道耦合？
• RQ4 在仅由交错交换场和自旋轨道耦合打破时间反演对称性的系统中，能否稳定陈数C=2的QAHE态？
• RQ5 在AHE AFMs中实现拓扑非平庸绝缘态的最小对称性与参数要求是什么？

主要发现

• 在真实参数条件下（θ=11°，Jex=0.5tdd，tR=0.1tdd），2D倾斜反铁磁4d/5d钙钛矿（001）薄膜模型中实现了陈数C=2的量子反常霍尔效应。
• 即使不存在净磁化，系统仍可通过交错Zeeman场与自旋轨道耦合打开能隙，从而支持量子化霍尔电导。
• t2g态中的有效j̃=1/2子空间使所有关键参数（Jex、tR、θ）处于同一能量尺度，有利于调节进入QAHE相。
• 正交畸变与镜像对称性破缺的共存对生成所需的Rashba型自旋轨道耦合至关重要。
• 该模型保持了粒子-空穴对称性，并维持了自旋轨道项与交换项之间的（反）对易关系，确保在宽广参数区域内具有拓扑鲁棒性。
• 所提出的体系可在绝缘态AHE AFMs（如Sr2IrO4或CaIrO3）中实现，或通过异质外延界面与倾斜AFM层结合，具备实验实现的可能性。