单层 RuBr2 中的谷极化量子反常霍尔绝缘体

本征铁谷(FV)与非平凡能带拓扑的共存因其基础物理和潜在应用而备受关注，即谷极化量子反常霍尔绝缘体(VQAHI)。本文基于广义梯度近似加 U (GGA+U) 方法的第一性原理计算，发现由电子关联或应变诱导的 VQAHI 可在单层 RuBr2 中出现。对于垂直磁各向异性(PMA)，随电子关联 U 增大可驱动铁谷(FV)到半谷金属(HVM)到量子反常霍尔(QAH)到 HVM 到 FV 的相变。然而，对于面内磁各向异性则不存在特殊的 QAH 态与谷极化。通过计算实际磁各向异性能(MAE)，由于 PMA、单位陈数/手性边缘态以及自发谷极化，VQAHI 确实可存在于两个 HVM 态之间。U 的增大可诱导 VQAHI，这可由 d_{xy}/d_{x^2-y^2} 与 d_{z^2} 轨道间符号可逆的贝里曲率或能带反转来解释。即便实际 U 不在该范围内，也可通过应变实现 VQAHI。以 U=2.25 eV 为具体情形，单层 RuBr2 在约 0.985 压缩应变下可从普通铁磁(FM)半导体转变为 VQAHI。值得注意的是，VQAHI 的边缘态具有手性-自旋-谷锁定特性，可实现低功耗电子器件的完全自旋与谷极化。单层 RuBr2 中 VQAHI 的能带隙与谷劈裂均高于室温热能(25 meV)，这是室温器件应用的关键。