利用轨道与自旋自由度构建量子反常霍尔相
介观与纳米尺度物理
2013-08-22 v1 材料科学
摘要
结合紧束缚模型与第一性原理计算，我们研究了在具有 sp 轨道的翘曲蜂窝状晶格中，由内禀自旋轨道耦合（SOC）在外部交换场下诱导的量子反常霍尔（QAH）效应。详细分析表明，在强 SOC 极限下，当能带经历所谓的轨道纯化并获得非零 Chern 数时，不仅利用自旋自由度，利用轨道自由度亦可产生非平庸的拓扑性质。我们选取具有强 SOC 的翘曲蜂窝状晶格 Bi(111) 双层作为原型，详细分析了其拓扑性质。特别地，我们展示了作为 SOC 强度与交换场大小函数的 Chern 数自旋交换导致若干 QAH 相的出现。有趣的是，我们观察到在其中一个这样的相中，即在量子自旋 Chern 绝缘体相中，量子化的电荷与自旋霍尔电导共存。我们考虑了通过同电子 Sb 合金化来调节 Bi 双层中 SOC 强度的可能性，并推测由于各组分拓扑性质间的竞争，在此类合金系统中可预期出现奇异性质。最后，我们证明了 3d 掺杂可用于在 Bi(111) 双层中诱导显著的交换场，从而产生非平庸的 Chern 绝缘体性质。
引用
@article{arxiv.1301.4426,
title = {Engineering quantum anomalous Hall phases with orbital and spin degrees of freedom},
author = {Hongbin Zhang and Frank Freimuth and Gustav Bihlmayer and Marjana Ležaić and Stefan Blügel and Yuriy Mokrousov},
journal= {arXiv preprint arXiv:1301.4426},
year = {2013}
}