[论文解读] Tight-binding model and ab initio calculation of silicene with strong spin-orbit coupling in low-energy limit

Chen-Huan Wu|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 109被引用 12

一句话总结

该论文构建了紧束缚模型并进行从头算计算，研究强自旋轨道耦合下的单层硅烯，揭示了由电场和磁场驱动的可调拓扑相变。其识别出一种具有非零自旋和谷陈数的奇异量子反常霍尔相，可在磁场下实现具有量子化电导 $e^2/h$ 和 $e^2/2h$ 的鲁棒自旋极化和谷极化边缘态。

ABSTRACT

We carry out both the tight-binding model and the $ab\ initio$ to study the layered silicene, the spin, valley, sublattice degrees of freedom are taken into consider and the effects of electric field, magnetic field, and even the light in finite frequency together with its interesting optical propertice, which are all closely related to the spin-orbit coupling and Rashba coupling and lead to the tunable phase transitions (between the nontrivial topological phase which has nonzero Chern number or nonzero spin Chern number and the trivial phase). An exotic quantum anomalous Hall insulator phase are found which has nonzero spin Chern number and nonzero valley Chern number and as a giant-application-potential spintronic and valleytronics in the two-ternimate devices based on the monolayer silicene for the information transmission. In fact, the gap-out action can be understanded by analyse the Dirac mass as well as the Zeeman splitting or the external-field-induced symmetry-broken, and the changes of gap has a general nonmonotone-variation characteristic under both the effects of electron filed-induced Rashba-coupling $R_{2}(E_{\perp})$ and the electron field-induced band gap, and the band inversion related to the spin-orbit coupling which absorbs both the spin and orbital angular of momentum may happen during this process. The quantized Hall/longitudinal conductivity together with the optical conductivity are also explored, we see that even in the quantum spin Hall phase without any magnetic field, the two-terminate conductivity can be reduced to the value $e^{2}/h$ by controlling the helical edge model, and it can be further reduced to $e^{2}/2h$ by applying the magnetic field which similar to the graphene.

研究动机与目标

• 理解自旋轨道耦合、Rashba耦合与外场在调控硅烯中拓扑相变中的相互作用。
• 研究非平庸拓扑绝缘体相的出现，包括具有非零自旋和谷陈数的量子反常霍尔相。
• 探讨电场和磁场对硅烯低能电子结构中能带反转、狄拉克质量与塞曼分裂的影响。
• 分析量子自旋霍尔与反常霍尔区域中的量化霍尔电导率和纵向电导率，包括边缘态输运。
• 为未来二维自旋电子学与谷电子学器件建立一个关联对称性破缺、能隙打开与拓扑不变量的理论框架。

提出的方法

• 在蜂窝晶格上构建包含最近邻、第二近邻和第三近邻跃迁的多轨道紧束缚模型，以描述硅烯的电子结构。
• 通过有效哈密顿量项引入自旋轨道耦合与Rashba耦合，显式处理自旋与谷自由度。
• 利用从头算计算验证紧束缚模型参数，并计算外场下能带结构、狄拉克质量与能隙演化。
• 应用 ${\bf k}\cdot{\bf p}$ 微扰理论，推导狄拉克点附近的低能有效哈密顿量。
• 通过 $\mathcal{R}_z$ 旋转与对称性分析，评估陈数与自旋陈数等拓扑不变量以分类相态。
• 通过电导率计算分析光学与输运性质，包括边缘态中的量子化霍尔电导 $e^2/h$ 与 $e^2/2h$。

实验结果

研究问题

• RQ1 电场与磁场如何通过自旋轨道耦合与Rashba耦合诱导硅烯中的拓扑相变？
• RQ2 能带反转与狄拉克质量生成在硅烯中非平庸拓扑相出现过程中的作用是什么？
• RQ3 在无外加磁场条件下，能否在硅烯中实现具有非零自旋与谷陈数的量子反常霍尔相？
• RQ4 在磁场作用下，手性边缘态的电导如何演化，$e^2/2h$ 量子化的机制是什么？
• RQ5 对称性破缺（如电场或塞曼效应）对硅烯能隙结构与拓扑序的影响是什么？

主要发现

• 在强自旋轨道耦合与外场作用下，硅烯中识别出一种具有非零自旋陈数与非零谷陈数的奇异量子反常霍尔相。
• 狄拉克质量与塞曼分裂随电场增强呈现非单调变化，表明Rashba耦合与能隙打开之间存在复杂相互作用。
• 在无磁场的量子自旋霍尔相中，边缘态电导量子化为 $e^2/h$，与手性边缘态一致。
• 施加磁场后，电导降低至 $e^2/2h$，与石墨烯中观察到的行为类似，证实了拓扑边缘输运的鲁棒性。
• 在量子自旋霍尔相中，体系表现出约 0.8 eV 的大体能隙，显著大于其他二维拓扑绝缘体（如单层 Bi4Br4）。
• 光学电导率与输运性质证实了通过外场调控拓扑相的可行性，支持其在自旋电子学与谷电子学器件中的潜在应用。