中科大PRL：面內磁化的本征量子反常霍爾效應：搜索規則和材料預測

江河入海 5年前 (2019-01-03) 4500瀏覽

【引言】

量子反常霍爾效應（QAHE）作為霍爾“家族”的最后一個謎題，最近幾年得到了廣泛地研究。實現QAHE需要兩個關鍵因素，其一是鐵磁性，即材料的本征磁性或通過磁性物質的摻雜所引起的磁性；其二是自旋-軌道耦合（SOC），其可以引入一個重要的拓撲相位。在之前的所有研究工作中均存在一種默認的假設，即鐵磁性必須具有面外的磁化。從物理學角度來講，面外磁化對于QAHE只是一個充分條件而不是一個必要條件。雖然很多研究人員已經預測面內磁化也能誘導產生QAHE，但大部分都只是簡單的模型計算，并未建立磁各相異性和局部電場結構之間的本質關系。對于如何在具有面內磁化的實際鐵磁材料中搜尋QAHE，目前還不太清楚。

【成果簡介】

近日，中國科學技術大學王征飛教授、楊金龍教授和猶他大學鹽城湖分校Feng Liu教授（共同通訊作者）等人引入一種通用的搜索規則填補了面內磁化搜尋QAHE的空白，并使用第一性原理預測出單層LaCl，以實現面內磁化的本征QAHE。由于自旋-軌道耦合，當費米能級上簡并節點與磁量子數的絕對值相同時，磁化將傾向于面內方向。此外，根據破缺和守恒的鏡面對稱，可以實現QAHE或2D半金屬。通過調整面內磁化的方向，LaCl中的QAHE表現出三重旋轉對稱性，其陳數為+1或-1，其轉變點是2D半金屬相。該研究結果極大地擴展了QAHE的材料家族，從而激發了從實驗角度研究該現象的興趣。相關成果以題為“Intrinsic Quantum Anomalous Hall Effect with In-Plane Magnetization: Searching Rule and Material Prediction”發表于國際頂級物理期刊Physical Review Letters。

【圖文導讀】

圖一面內磁化搜索QAHE的示意圖

不同的拓撲相由磁化方向、鏡面對稱和SOC決定

圖二 LaCl的結構

（a）單層LaCl的俯視圖和面內磁化的角度
（b）單層LaCl的剝離能，插圖是塊體LaCl的側視圖和層間距
（c）無SOC的單層LaCl的自旋-極化鐵磁能帶結構，紅色和藍色分別表示自旋向上和自旋向下的能帶
（d）在c中費米能級附近的Γ點的3D能帶

圖三 2D節點半金屬的相變

（a）具有SOC的單層LaCl的能帶結構，其面內磁化沿著? = 0°/180°
（b）垂直于a中鏡面的面內磁化（藍色箭頭）的鏡面上（橙色虛線）兩個簡并點（紅點）的示意圖
（c-f）與a，b相同，但面內磁化分別沿著? = 60°/240°和? = 120°/300°
（g）具有SOC的單層LaCl的能帶結構，其面內磁化沿著? = 30°，如插圖中的箭頭所示
（h）g的一維拓撲邊緣態，表明具有面內磁化的QAHE，插圖是左右邊緣態的散射方向示意圖
（i, j）與g，h相同，但其面內磁化沿著? = 90°

圖四單層LaCl的相關物理性質

（a-f）單層LaCl的貝瑞曲率和陳數，其面內磁化分別沿著? = 30°、90°、150°、210°、270°和330°，箭頭表示磁化方向，陰影區域突出了不同構型所選擇的單胞
（g）通過改變面內磁化方向所測量的QAHE示意圖
（h）量子化的霍爾電導與面內磁化方向的關系

圖五單層LaCl緊束縛模型計算及其相關物理性質

（a）無磁化和SOC下單層LaCl的DFT和Wannier所擬合的能帶結構
（b）兩種擬合的Wannier 函數的俯視和側視圖
（c）沿著? = 30°的面內磁化的緊束縛能帶結構
（d）c中的1D帶狀的能帶結構，紅色和藍色分別表示左和右的邊緣態
（e）c中的貝瑞曲率和陳數
（f-h）與c-e相同，但沿著? = 90°的面內磁化
其緊束縛參數是t?= 1.0 eV、λ_I = 0.03 eV、λ_R = -0.03 eV和t_M?= -2.0 eV