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基于二維鐵磁絕緣體的高溫量子反常霍爾效應
2019-04-10 08:00   審核人:

    量子反常霍爾效應是指在不加外磁場的情況下,體系的邊界處會出現手性的邊界態。由于量子反常霍爾效應的實現不需要外加磁場,而此時樣品的邊緣態可以被看成一根無能耗的理想導線,因此人們對于其將來可能的應用充滿了期待。 到目前為止,研究人員提出多種理論方案來實現該效應,例如,1) 在拓撲絕緣體中摻雜磁性元素;2) 將二維拓撲絕緣體與鐵磁絕緣體(反鐵磁絕緣體)耦合在一起形成異質結等方案。然而,實驗中僅在拓撲絕緣體中摻雜低濃度的磁性元素實現了該效應,并且由于樣品具有一定的厚度使得量子反常霍爾效應的觀測溫度一般低于100 mK。因此,尋找大帶隙和高居里溫度的量子反常霍爾效應體系是該領域的研究熱點。最近實驗成功制備的二維層狀Cr2Ge2Te6CrI3鐵磁絕緣體為實現高溫量子反常霍爾效應提供了新的研究思路。

張會生副教授及其合作者系統研究了鍺烯(Germanene)與單層Cr2Ge2Te6CrI3鐵磁絕緣體形成的異質結的電學、磁學以及拓撲特性。研究結果發現,GermaneneCr2Ge2Te6形成的異質結表現出拓撲特性,然而GermaneneCrI3形成的異質結表現出金屬特性。進一步研究發現,由于GermaneneGe元素與襯底Cr2Ge2Te6GeTe元素形成很強的化學鍵,使得體系表現拓撲特性。通過能帶演化分析得知,其拓撲特性來源于襯底Cr2Ge2Te6,而非Germanene。這意味著通過合適的表面修飾作用,可將二維的Cr2Ge2Te6鐵磁絕緣體變成高溫量子反常霍爾效應。為了驗證該方案的可行性,我們還研究了硅烯(Silicene)長在Cr2Ge2Te6襯底和Cr2Ge2Te6生長在Ge(111)表面的拓撲特性。類似地,以上兩個體系都表現出量子反常霍爾效應的特性。該研究結果為實驗實現高溫量子自旋霍爾效應提供了理論指導。

該研究成果以《Converting a two-dimensional ferromagnetic insulator into a high-temperature quantum anomalous Hall system by means of an appropriate surface modification為題于201948日發表在Phys. Rev. B期刊上。

全文鏈接:https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.165410


 

Germanene/Cr2Ge2Te6異質結的量子反常霍爾效應示意圖(左圖)及拓撲特性(右圖)

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