掺杂诱导的$\alpha$-In$_2$Se$_3$薄膜中的多铁性与量子反常霍尔效应

在平带材料中，电子间强烈的库仑相互作用可能导致奇特的物理现象。最近，研究发现$\alpha$-In$_2$Se$_3$薄膜具有铁电性和平带。在本文中，利用第一性原理计算，我们发现对于单层结构，平带中在$\Gamma$点存在一个外尔点，其中自旋轨道耦合的引入打开了一个能隙。将费米能级移至自旋轨道能隙内会产生非平凡的能带拓扑，且无论层间极化耦合如何，这种拓扑在双层结构中均得以保持。我们进一步计算了单层和双层结构的陈数和边缘态，结果表明在适当的掺杂下它们会成为量子反常霍尔绝缘体。此外，我们发现 In$_2$Se$_3$双层结构中掺杂诱导的磁性强烈依赖于层间极化耦合。因此，对 In$_2$Se$_3$双层结构中的平带进行掺杂也可以产生多铁性，其中磁性随着系统在不同极化状态之间转变而可电控调节。我们的研究 thus 揭示了多铁性和非平凡能带拓扑可以统一于一种材料中，用于设计多功能电子器件。