[论文解读] Realization of quantum anomalous Hall effect from a magnetic Weyl semimetal

Lukas Muechler, Enke Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 65被引用 23

一句话总结

本研究通过将磁性外尔半金属Co₃Sn₂S₂限制在二维，提出实现量子反常霍尔效应（QAHE）的途径。利用有效模型和材料特异性计算，结果表明，二维极限下形成具有陈数为3的拓扑绝缘体，且带隙为0.05 eV，使得QAHE可在远高于磁性掺杂拓扑绝缘体的温度下实现。

ABSTRACT

The quantum anomalous Hall effect (QAHE) and magnetic Weyl semimetals (WSMs) are topological states induced by intrinsic magnetic moments and spin-orbital coupling. Their similarity suggests the possibility of achieving the QAHE by dimensional confinement of a magnetic WSM along one direction. In this study, we investigate the emergence of the QAHE in the two dimensional (2D) limit of magnetic WSMs due to finite size effects. We demonstrate the feasibility of this approach with effective models and real materials. To this end, we have chosen the layered magnetic WSM Co$_3$Sn$_2$S$_2$, which features large anomalous Hall conductivity and anomalous Hall angle in its 3D bulk, as our material candidate. In the 2D limit of Co$_3$Sn$_2$S$_2$ two QAHE states exist depending on the 2D layer stoichiometry. One is a semimetal with a Chern number of 6, and the other is an insulator with a Chern number of 3. The latter has a band gap of 0.05 eV, which is much larger than that in magnetically doped topological insulators. Since intrinsic ferromagnets normally have a higher magnetic ordering temperature than dilute magnetic semiconductors, the QAHE obtained from this WSM should be stable to a higher temperature. This temperature stability is one of the most important parameters for further applications of the QAHE.

研究动机与目标

• 探索通过磁性外尔半金属（WSMs）的维度受限实现量子反常霍尔效应（QAHE）的可行性。
• 识别在二维极限下支持具有增强热稳定性的量化霍尔效应的材料候选。
• 研究层状磁性WSMs中的有限尺寸效应，这些效应可能导致拓扑非平庸的绝缘态。
• 将二维QAHE态的带隙与磁性掺杂拓扑绝缘体的带隙及磁有序温度进行比较。

提出的方法

• 基于三维磁性外尔半金属Co₃Sn₂S₂的电子结构，构建有效二维模型。
• 应用紧束缚模型，模拟不同层化学计量比下的二维极限。
• 计算陈数以分类二维态的拓扑不变量。
• 评估二维体系中的带隙和反常霍尔电导率。
• 基于Co₃Sn₂S₂中的本征铁磁性，评估磁有序温度。
• 从带隙和热稳定性角度，将二维QAHE态与现有QAHE平台进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过有限尺寸效应，能否在磁性外尔半金属的二维极限中实现量子反常霍尔效应？
• RQ2 Co₃Sn₂S₂的二维相的拓扑不变量（陈数）和带隙是多少？
• RQ3 二维QAHE态的磁有序温度与磁性掺杂拓扑绝缘体相比如何？
• RQ4 Co₃Sn₂S₂的二维限制是否产生具有量化霍尔电导率的稳定绝缘态？
• RQ5 层化学计量比在决定二维体系的拓扑相中起什么作用？

主要发现

• Co₃Sn₂S₂的二维极限支持陈数为3、带隙为0.05 eV的拓扑绝缘体相。
• 存在第二种陈数为6的二维相，为半金属态，表明其拓扑行为因化学计量比而异。
• 绝缘态中0.05 eV的带隙显著大于磁性掺杂拓扑绝缘体中观测到的带隙。
• Co₃Sn₂S₂的本征铁磁性表明其磁有序温度高于稀磁半导体，从而增强了QAHE的热稳定性。
• 磁性外尔半金属二维极限中的有限尺寸效应，可实现稳定且鲁棒的QAHE态。