石墨烯中拓扑相的磁电控制

拓扑反铁磁（AFM）自旋电子学是一个新兴研究领域，涉及与称为 N$\acute{\rm e}$el 矢量的 AFM 序参量耦合的拓扑电子态。这些态的控制设想通过由电流驱动的自旋轨道力矩操纵 N$\acute{\rm e}$el 矢量来实现。本文提出一种有利于低功耗 AFM 自旋电子学的不同方法：通过相邻磁电 AFM 绝缘体（如氧化铬）中电压诱导的 N$\acute{\rm e}$el 矢量翻转所产生的邻近效应，来控制二维材料（如石墨烯）中的拓扑态。由石墨烯与氧化铬之间对称性保护的边界磁化及诱导的 Rashba 型自旋轨道耦合介导，石墨烯中涌现的拓扑相可由 N$\acute{\rm e}$el 矢量控制。利用密度泛函理论与紧束缚哈密顿量方法，我们建模了石墨烯/Cr2O3 (0001) 界面，并展示了石墨烯狄拉克能带在 K 与 K' 谷之间不对称的 nontrivial 带隙开启。这导致了非常规量子反常霍尔效应（QAHE），其量化值为 $2e^2/h$ 且在接近 $e^2/2h$ 处具有额外阶跃状特征，以及自旋极化谷霍尔效应（VHE）的涌现。此外，取决于 N$\acute{\rm e}$el 矢量取向，我们预测在跨越 $180^{\circ}$ AFM 畴壁的石墨烯中不同拓扑相的出现与转变，涉及 QAHE、谷极化 QAHE 与量子 VHE（QVHE），以及沿畴壁手性边缘态的涌现。这些拓扑性质通过 AFM 绝缘体的磁电翻转由电压控制，无需自旋轨道力矩。