Janus 单层 $\mathrm{SrAlGaSe_4}$ 中具有 Rashba 自旋分裂的压电量子自旋霍尔绝缘体

实现多功能二维（2D）材料在基础层面引人入胜，例如将压电性与拓扑绝缘相或铁磁性相结合。本工作中，从具动力学、力学与热稳定性的 2D $\mathrm{MA_2Z_4}$ 族构建了 Janus 单层 $\mathrm{SrAlGaSe_4}$，其因缺乏反演对称而具压电性。未应变 $\mathrm{SrAlGaSe_4}$ 单层是具自旋轨道耦合（SOC）的窄带普通绝缘体（NI）。然而，双轴应变可诱导 NI 到拓扑绝缘体（TI）的相变，从而实现压电量子自旋霍尔绝缘体（PQSHI）。更令人振奋的是，相变点仅约 1.01 拉伸应变，且非平凡能带拓扑可保持至所考虑的 1.16 拉伸应变。此外，由于缺少水平镜面对称且存在 SOC，PQSHI 的导带中可出现 Rashba 自旋分裂。对于 $\mathrm{SrAlGaSe_4}$ 单层，施加单轴应变可诱导面内及弱得多的面外压电极化。在 1.06 拉伸应变（作为代表性 TI）下，算得 $\mathrm{SrAlGaSe_4}$ 单层的压电应变系数 $d_{11}$ 与 $d_{31}$ 分别为 -1.865 pm/V 与 -0.068 pm/V。事实上，许多 PQSHI 可由 2D $\mathrm{MA_2Z_4}$ 族实现。为证实这一点，类似于 $\mathrm{SrAlGaSe_4}$，$\mathrm{CaAlGaSe_4}$ 单层中压电与拓扑序的共存也可通过应变（约 1.04 拉伸应变）实现。我们的工作表明 Janus 单层 $\mathrm{SrAlGaSe_4}$ 是纯二维 PQSHI 体系，可启发性地推动探索压电性与拓扑序间相互作用的未来研究，并带来电子学与自旋电子学中的新颖应用。