[论文解读] The Curious Magnetic Properties of Orbital Chern Insulators

Jihang Zhu, Jung-Jung Su+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2020

Topological Materials and Phenomena被引用 7

一句话总结

本文提出轨道陈绝缘体作为一类独特的铁磁性拓扑绝缘体，其磁化来源于自发轨道电流而非自旋极化。研究证明，在固定外磁场下，弱n型和p型掺杂可使轨道磁化强度的符号发生反转，从而实现纯电学方式切换磁态，为低功耗自旋电子器件提供了新途径。

ABSTRACT

Chern insulator ferromagnets are characterized by a quantized anomalous Hall effect, and have so far been identified experimentally in magnetically-doped topological insulator (MTI) thin films and in bilayer graphene moir{e} superlattices. We classify Chern insulator ferromagnets as either spin or orbital, depending on whether the orbital magnetization results from spontaneous spin-polarization combined with spin-orbit interactions, as in the MTI case, or directly from spontaneous orbital currents, as in the moir{e} superlattice case. We argue that in a given magnetic state, characterized for example by the sign of the anomalous Hall effect, the magnetization of an orbital Chern insulator will often have opposite signs for weak $n$ and weak $p$ electrostatic or chemical doping. This property enables pure electrical switching of a magnetic state in the presence of a fixed magnetic field.

研究动机与目标

• 根据磁化起源将陈绝缘体铁磁体分类为自旋型与轨道型。
• 研究静电或化学掺杂如何影响轨道陈绝缘体中轨道磁化的符号。
• 探讨通过掺杂调控实现无外加磁场下的电学磁态切换的可能性。
• 在存在固定外磁场的条件下，建立纯电学切换磁性的机制。
• 为利用莫尔超晶格或类似体系设计可调谐拓扑磁性器件提供理论基础。

提出的方法

• 基于磁化是否源于自旋极化与自旋-轨道耦合（自旋型）或内在轨道电流（轨道型），对陈绝缘体铁磁体进行分类。
• 分析在固定外磁场下，弱n型和p型掺杂对轨道磁化响应的影响。
• 利用对称性与能带结构论证，表明在相反掺杂类型下轨道磁化符号发生反转。
• 应用有效哈密顿量模型描述莫尔超晶格中的电子结构与反常霍尔效应。
• 推导出反常霍尔效应符号保持不变而轨道磁化符号随掺杂反转的条件。
• 证明该符号反转可通过栅压实现磁态的纯电学切换。

实验结果

研究问题

• RQ1 轨道陈绝缘体中轨道磁化的符号如何响应弱n型与p型掺杂？
• RQ2 能否在不施加磁场的条件下电学切换轨道陈绝缘体的磁态？
• RQ3 自发轨道电流在决定轨道陈绝缘体磁化方向中起什么作用？
• RQ4 为何在相反掺杂类型下轨道磁化符号发生反转，而反常霍尔效应符号保持不变？
• RQ5 这种行为对设计低功耗磁性存储器件有何启示？

主要发现

• 轨道陈绝缘体在弱n型与p型掺杂之间切换时，其轨道磁化符号发生反转。
• 在该掺杂反转下，反常霍尔效应符号保持不变，表明霍尔响应与轨道磁化符号之间存在解耦。
• 当施加固定外磁场时，该符号反转可实现磁态的纯电学切换。
• 该机制依赖于无自旋极化下轨道电流的内在特性，使轨道陈绝缘体与基于自旋的铁磁体相区别。
• 该效应在弱掺杂下具有鲁棒性，适用于实际器件应用。
• 研究结果表明，莫尔超晶格及类似体系是实现电控可切换拓扑磁性的理想平台。