陈数可调的量子反常霍尔效应 | 前沿快讯No.27
快讯
陈数可调的量子反常霍尔效应
能带结构起源的自旋交换效应
量子反常霍尔态与电荷密度波的竞争
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操纵磁化方向实现陈数可调的量子反常霍尔效应
作为拓扑相的典型代表，量子反常霍尔效应在1988年由Haldane进行了理论预测，其特征是零磁场下具有量子化的霍尔电导。因为其无耗散的手性边缘态，量子反常霍尔效应可用于制造下一代低功耗电子设备，为研究新的量子现象提供了一个优越的平台，比如拓扑超导性和拓扑磁电效应。因此，量子反常霍尔效应的实现成为凝聚态物理领域中一个非常重要的课题。到目前为止，已经提出了许多方法来实现量子反常霍尔效应。第一次观察到的量子反常霍尔效应是在Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3薄膜中，温度为30mK。显然，低的观测温度远离实际应用。一些研究声称，磁性掺杂剂会导致磁性的不均匀性，不利于量子反常霍尔效应的形成，并导致观测温度较低。因此，提高观测温度的希望寄托于找到本征的磁拓扑绝缘体。幸运的是，在MnBi2Te4薄膜中，在1.4K的温度下观察到了量子反常霍尔效应，当施加外加磁场驱动层间磁耦合由反铁磁变为铁磁时，可以进一步增加观测温度到6.5K。其结果强烈表明，本征磁绝缘体可以实现高温量子反常霍尔效应的实际应用。虽然在理论和实验中对量子反常霍尔效应进行了大量的探索，但具有可调谐陈数的量子反常霍尔系统仍然有限。
本文作者中国科技大学物理系Zeyu Li等从理论上提出在单层过渡金属氧化物NiAsO3和PdSbO3中，可以通过操纵磁化方向，实现可调谐的陈数的量子反常霍尔效应。当磁化强度位于x-y平面时，所有的镜像对称性都被打破，出现了低陈数相（C=1）。当磁化强度呈现非零的z方向分量时，即使存在倾斜的磁化强度,该系统进入高陈数相（C=3）。当磁化强度对准z方向时，在单层PdSbO3中的全局带隙可以接近室温能量尺度（23.4 meV）。通过基于wannier的紧束缚模型，作者建立了磁化诱导拓扑相变的相图，为实际的电子应用提供了一种具有可调谐陈数的高温量子反常霍尔系统。
相关研究成果以Chern Number Tunable Quantum Anomalous Hall Effect in Monolayer Transitional Metal Oxides via Manipulating Magnetization Orientation为题，作为封面文章发表在《物理评论快报》 Physical Review Letters 129, 036801 (2022)上。
原文链接：
https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.129.036801
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中心对称铁磁体中能带结构起源的自旋交换效应
自旋霍尔效应是指由自旋-轨道耦合引起的电场诱导产生自旋电流的现象。自旋霍尔效应的基本机制可分为内在机制和外在机制：其内在机制对应于能带结构效应，而不诉诸于杂质散射，而外在的现象则是由杂质的自旋轨道耦合散射引起的，其内在机制已经引起了各大物理研究团体的极大兴趣。本征自旋霍尔效应最初是为凝聚态中的电子而建立的，但也导致了对光、费米气体和冷原子等系统中的类自旋霍尔效应的广泛研究，这表明本征的自旋轨道耦合输运具有广泛的基本意义。就像本征的自旋霍尔效应一样，任何能带结构起源的自旋轨道耦合输运都会引起凝聚态物理内部和外部不同研究团体的注意。
本文作者韩国大学Hyeon-Jong Park等从理论上证明了中心对称铁磁体中能带结构起源的自旋交换效应。自旋交换效应由轨道自由度介导的，但不需要反演不对称性或杂质自旋轨道散射。解析和紧束缚模型揭示自旋交换效应主要来源于具有不同自旋和不同轨道的能带几乎简并k点，因此，在正常金属中没有对应物。对于中心对称三维过渡金属铁磁体的第一性原理计算表明能带结构起源的自旋交换电导率在大小上与Pt本征有自旋霍尔电导率相当。该理论推广了由铁磁体产生的横向自旋电流，强调了轨道自由度在描述中心对称材料中的自旋-轨道耦合输运中的重要作用。
相关研究成果以Spin Swapping Effect of Band Structure Origin in Centrosymmetric Ferromagnets为题，发表在《物理评论快报》 Physical Review Letters 129, 037202 (2022)上。
原文链接：
https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.129.037202
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关联拓扑模型中量子反常霍尔态与电荷密度波的竞争
自从量子霍尔效应的发现和采用TKNN数来理解量子化电导以来，非常规拓扑系统的研究已成为现代凝聚态物理学的中心课题之一。Haldane是理解时间反演对称性和量子反常霍尔态的先驱。在Haldane模型中复杂的跃迁可以理解为多轨道模型中自旋轨道耦合项的高阶微扰。因此在现实材料中，很可能在具有自旋轨道耦合的蜂窝状晶格的双规到模型中实现Haldane模型。这种机制可以在碳化硅（0001）衬底上时间反演对称的单分子层铋烯中实现，并在实验上证实为具有较大能隙的量子自旋霍尔体系。
本文作者上海科技大学物理科学与技术学院高鑫等在一个由dxy-d(x2-y2)组成的真实量子反常霍尔模型中研究了由非局域电子关联驱动的拓扑相变。在关联作用下，在非相互作用极限下定义的三个不同的拓扑相演化为不同的电荷密度波相，得到了两个明显的结论：拓扑相变不涉及能隙闭合，动力学涨落显著抑制了次紧邻相互作用倾向的电荷有序。作者揭示了电子关联条件下的拓扑相位稳定性，不同于以往所有关于关联拓扑状态的研究，其研究还证明了动力学涨落所发挥的积极作用。
相关研究成果以Competition of Quantum Anomalous Hall States and Charge Density Wave in a Correlated Topological Model为题，发表在《中国物理快报》Chinese Physics Letters 39 077101 (2022)上。
原文链接：
http://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/39/7/077101#1
编译：不言
排版：不言
美编：农民
责编：理趣
编者按
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