【引言】
量子反常霍尔效应(QAHE)作为霍尔“家族”的最后一个谜题,最近几年得到了广泛地研究。实现QAHE需要两个关键因素,其一是铁磁性,即材料的本征磁性或通过磁性物质的掺杂所引起的磁性;其二是自旋-轨道耦合(SOC),其可以引入一个重要的拓扑相位。在之前的所有研究工作中均存在一种默认的假设,即铁磁性必须具有面外的磁化。从物理学角度来讲,面外磁化对于QAHE只是一个充分条件而不是一个必要条件。虽然很多研究人员已经预测面内磁化也能诱导产生QAHE,但大部分都只是简单的模型计算,并未建立磁各相异性和局部电场结构之间的本质关系。对于如何在具有面内磁化的实际铁磁材料中搜寻QAHE,目前还不太清楚。
【成果简介】
近日,中国科学技术大学王征飞教授、杨金龙教授和犹他大学盐城湖分校Feng Liu教授(共同通讯作者)等人引入一种通用的搜索规则填补了面内磁化搜寻QAHE的空白,并使用第一性原理预测出单层LaCl,以实现面内磁化的本征QAHE。由于自旋-轨道耦合,当费米能级上简并节点与磁量子数的绝对值相同时,磁化将倾向于面内方向。此外,根据破缺和守恒的镜面对称,可以实现QAHE或2D半金属。通过调整面内磁化的方向,LaCl中的QAHE表现出三重旋转对称性,其陈数为+1或-1,其转变点是2D半金属相。该研究结果极大地扩展了QAHE的材料家族,从而激发了从实验角度研究该现象的兴趣。相关成果以题为“Intrinsic Quantum Anomalous Hall Effect with In-Plane Magnetization: Searching Rule and Material Prediction”发表于国际顶级物理期刊Physical Review Letters。
【图文导读】
图一 面内磁化搜索QAHE的示意图
不同的拓扑相由磁化方向、镜面对称和SOC决定
图二 LaCl的结构
(a)单层LaCl的俯视图和面内磁化的角度
(b)单层LaCl的剥离能,插图是块体LaCl的侧视图和层间距
(c)无SOC的单层LaCl的自旋-极化铁磁能带结构,红色和蓝色分别表示自旋向上和自旋向下的能带
(d)在c中费米能级附近的Γ点的3D能带
图三 2D节点半金属的相变
(a)具有SOC的单层LaCl的能带结构,其面内磁化沿着ϕ = 0°/180°
(b)垂直于a中镜面的面内磁化(蓝色箭头)的镜面上(橙色虚线)两个简并点(红点)的示意图
(c-f)与a,b相同,但面内磁化分别沿着ϕ = 60°/240°和ϕ = 120°/300°
(g)具有SOC的单层LaCl的能带结构,其面内磁化沿着ϕ = 30°,如插图中的箭头所示
(h)g的一维拓扑边缘态,表明具有面内磁化的QAHE,插图是左右边缘态的散射方向示意图
(i, j)与g,h相同,但其面内磁化沿着ϕ = 90°
图四 单层LaCl的相关物理性质
(a-f)单层LaCl的贝瑞曲率和陈数,其面内磁化分别沿着ϕ = 30°、90°、150°、210°、270°和330°,箭头表示磁化方向,阴影区域突出了不同构型所选择的单胞
(g)通过改变面内磁化方向所测量的QAHE示意图
(h)量子化的霍尔电导与面内磁化方向的关系
图五 单层LaCl紧束缚模型计算及其相关物理性质
(a)无磁化和SOC下单层LaCl的DFT和Wannier所拟合的能带结构
(b)两种拟合的Wannier 函数的俯视和侧视图
(c)沿着ϕ = 30°的面内磁化的紧束缚能带结构
(d)c中的1D带状的能带结构,红色和蓝色分别表示左和右的边缘态
(e)c中的贝瑞曲率和陈数
(f-h)与c-e相同,但沿着ϕ = 90°的面内磁化
其紧束缚参数是t= 1.0 eV、λI = 0.03 eV、λR = -0.03 eV和tM= -2.0 eV
【小结】
本文建立了节线与磁各向异性之间的基本关系,介绍了在面内磁化搜索QAHE的一般规则,并对实际材料进行预测。该研究结构极大地丰富了物理学并扩展了QAHE的材料家族,并有望引起相关实验研究人员的注意。
本文由材料人编辑部计算材料组杜成江编译供稿,材料牛整理编辑。
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