磁性掺杂拓扑绝缘体与反铁磁绝缘体间 I 型异质结构中的大能隙量子反常霍尔效应
材料科学
2021-01-26 v1
摘要
拓扑绝缘体(TI)与磁绝缘体之间的异质结构是实现量子反常霍尔效应(QAHE)的一条途径。利用基于密度泛函理论对异质结构的热力学、磁性和拓扑性质进行的系统筛选与考察,我们证明在宽能隙反铁磁绝缘体 CrO 与 TI 薄膜(如 SbTe)之间形成 I 型异质结构,即使经过磁性掺杂,也能使费米能级钉扎在能隙中心。异质结构中的 Cr 掺杂将能隙增大至 64.5 meV,并来自界面 Cr 掺杂物的巨大塞曼能,从而克服了能带弯曲效应导致的潜在金属性。通过将费米能级附近的能带结构拟合到 4 带 k.p 模型哈密顿量,我们表明 Cr 掺杂的 SbTe/CrO 是具有陈数 C = -1 的陈绝缘体。输运计算进一步表明,局域在 TI 薄膜顶部/底部的手性边缘模是材料中主要的载流子。我们对由 MBE 生长的 Cr 掺杂 SbTe/CrO 异质结构的极化中子反射测量证实了对 Cr 掺杂物产生的大界面磁性、且与 AFM 衬底反铁磁耦合的预测,并且与近期在此类系统中测得的 positive exchange bias 一致。因此,Cr 掺杂的 SbTe/CrO 异质结构代表了开发具有高可调性的功能性拓扑磁器件的一个有前景的平台。
引用
@article{arxiv.2101.09829,
title = {Large Gap Quantum Anomalous Hall Effect in a Type-I Heterostructure Between a Magnetically Doped Topological Insulator and Antiferromagnetic Insulator},
author = {Anh Pham and Ling-Jie Zhou and Yi-Fan Zhao and Cui-Zu Chang and Timothy Charlton and P. Ganesh},
journal= {arXiv preprint arXiv:2101.09829},
year = {2021}
}