半谷金属与量子反常谷霍尔效应的概念
材料科学
2020-02-13 v1
摘要
谷，即动量空间电子能带结构中的能量极值，被视为除电荷和自旋之外电子的新自由度。聚焦于谷自由度的研究现已形成凝聚态物理的一个新兴领域，即谷电子学，其发展正沿着聚焦于自旋自由度的自旋电子学的路径展开。此处，类比于自旋电子学中一个自旋通道导电而另一通道绝缘的半金属，我们提出半谷金属的概念，其中传导电子本征地 100% 谷极化，且即使考虑自旋轨道相互作用也 100% 自旋极化。结合第一性原理计算与两带 kp 模型，阐明了形成半谷金属的物理机制。以具有强交换相互作用的铁谷 H-FeCl2 单层为例，我们发现强电子关联效应可诱导铁谷到半谷金属的相变。由于谷依赖的光学选择定则，此类系统可能对例如左圆偏振光透明，而右圆偏振光将被反射，这反过来可作为探测半谷金属态的关键方法。此外，我们发现所得半谷金属态中，传导谷呈现狄拉克锥状线性能散。有趣的是，随着关联效应增强，系统再次变为绝缘，且所有谷遵循相同的光学选择定则。我们确认在此特定情形下，由单一自旋构成的价带具有非零陈数，从而涌现出本征量子反常谷霍尔效应。我们的发现为谷电子学功能二维材料设计开辟了诱人途径。
引用
@article{arxiv.2002.04773,
title = {Concept of the half-valley-metal and quantum anomalous valley Hall effect},
author = {He Hu and Wen-Yi Tong and Yu-Hao Shen and Xiangang Wan and Chun-Gang Duan},
journal= {arXiv preprint arXiv:2002.04773},
year = {2020}
}