[论文解读] Topological phase transitions in half-hydrogenated Bi honeycomb monolayers

Cheng‐Cheng Liu, Jin-Jian Zhou+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2014

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 1

一句话总结

本研究通过自发磁化揭示了半氢化石榴石铋蜂窝单层中的可调拓扑相变，实现了具有0.19 eV大能隙的鲁棒谷极化量子反常霍尔（VP-QAH）相。反转磁化方向可使陈数从-1变为+1，将手征性边缘态从谷K重新定位至K′，为无耗散电子学和谷电子学提供了新途径。

ABSTRACT

Based on first-principles calculations, we find novel valley-polarized quantum anomalous Hall (VP-QAH) phases with a large gap-0.19 eV at an appropriate buckled angle and tunable topological phase transitions driven by the spontaneous magnetization within a half-hydrogenated Bi honeycomb monolayer. Depending on the magnetization orientation, four different phases can emerge, i.e., two VP-QAH phases, ferromagnetic insulating and metallic states. When the magnetization is reversed from the +$\mathbf{z}$ to -$\mathbf{z}$ directions, accompanying with a sign change in the Chern number (from -1 to +1), the chiral edge state is moved from valley $K$ to $K'$. Our findings provide a platform for designing dissipationless electronics and valleytronics in a more robust manner through the tuning of the magnetization orientation.

研究动机与目标

• 探索由自发磁化驱动的半氢化石榴石铋蜂窝单层中的拓扑相变。
• 识别并表征具有大能隙的新颖谷极化量子反常霍尔（VP-QAH）相。
• 研究磁化方向在调控拓扑不变量与边缘态局域化中的作用。
• 建立鲁棒、磁性可调的谷电子学与无耗散电子器件平台。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算模拟半氢化石榴石铋蜂窝单层的电子结构。
• 通过能带结构与陈数分析识别拓扑相并量化其拓扑不变量。
• 改变褶皱几何结构与磁化方向以调控体系的拓扑特性。
• 计算能隙与边缘态色散以确认VP-QAH相中手征性边缘态的存在。
• 追踪磁化方向从+z反转至-z时陈数与边缘态位置的演化。
• 通过能隙与自旋-谷锁定分析评估VP-QAH相的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 自发磁化是否能在半氢化石榴石铋蜂窝单层中诱导拓扑相变？
• RQ2 预测的谷极化量子反常霍尔相中的能隙大小是多少？
• RQ3 反转磁化方向如何影响陈数与边缘态局域化？
• RQ4 该体系是否可根据磁化方向呈现四种不同相——两个VP-QAH相、一个铁磁绝缘相与一个铁磁金属相？
• RQ5 通过外部磁化控制，拓扑相在多大程度上可调用于谷电子学应用？

主要发现

• 在最优褶皱角下，半氢化石榴石铋蜂窝单层中实现了具有0.19 eV大能隙的新颖谷极化量子反常霍尔（VP-QAH）相。
• 将磁化方向从+z反转至-z时，陈数由-1变为+1，手征性边缘态从谷K翻转至K′。
• 根据磁化方向的不同，体系可呈现四种不同相：两个VP-QAH相、一个铁磁绝缘态与一个铁磁金属态。
• 该拓扑相变由自发磁化驱动，无需外加磁场即可实现可调性。
• 该体系支持局域在特定谷上的鲁棒手征性边缘态，为谷电子学应用提供了可能。
• 0.19 eV的较大能隙增强了VP-QAH相的热稳定性，使其适用于室温应用。