强自旋轨道耦合硅烯在低能极限下的紧束缚模型与第一性原理计算

我们采用紧束缚模型与 $ab\ initio$ 计算研究层状硅烯，考虑了自旋、谷、子晶格自由度，以及电场、磁场乃至有限频率光及其有趣的光学性质的影响，这些均与自旋轨道耦合和Rashba耦合密切相关，并导致可调的相变（介于具有非零陈数或非零自旋陈数的非平庸拓扑相与平庸相之间）。发现了一种具有非零自旋陈数和非零谷陈数的奇异量子反常霍尔绝缘体相，作为基于单层硅烯的双端器件中在自旋电子学与谷电子学方面具有巨大应用潜力的信息传输方式。实际上，带隙打开作用可通过分析狄拉克质量以及塞曼分裂或外场诱导的对称性破缺来理解，且在电子场诱导Rashba耦合 $R_{2}(E_{\perp})$ 与电子场诱导带隙的共同作用下，带隙变化具有一般非单调变化特征，此过程中可能发生与自旋轨道耦合相关的能带反转，其同时吸收自旋与轨道角动量。我们还探究了量子化霍尔/纵向电导与光学电导，发现即使在无磁场的量子自旋霍尔相中，通过控制螺旋边缘模型可将双端电导降至 $e^{2}/h$，并可通过施加类似于石墨烯的磁场进一步降至 $e^{2}/2h$。