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基于二维铁磁绝缘体的高温量子反常霍尔效应
2019-04-10 08:00   审核人:

    量子反常霍尔效应是指在不加外磁场的情况下,体系的边界处会出现手性的边界态。由于量子反常霍尔效应的实现不需要外加磁场,而此时样品的边缘态可以被看成一根无能耗的理想导线,因此人们对于其将来可能的应用充满了期待。 到目前为止,研究人员提出多种理论方案来实现该效应,例如,1) 在拓扑绝缘体中掺杂磁性元素;2) 将二维拓扑绝缘体与铁磁绝缘体(反铁磁绝缘体)耦合在一起形成异质结等方案。然而,实验中仅在拓扑绝缘体中掺杂低浓度的磁性元素实现了该效应,并且由于样品具有一定的厚度使得量子反常霍尔效应的观测温度一般低于100 mK。因此,寻找大带隙和高居里温度的量子反常霍尔效应体系是该领域的研究热点。最近实验成功制备的二维层状Cr2Ge2Te6CrI3铁磁绝缘体为实现高温量子反常霍尔效应提供了新的研究思路。

张会生副教授及其合作者系统研究了锗烯(Germanene)与单层Cr2Ge2Te6CrI3铁磁绝缘体形成的异质结的电学、磁学以及拓扑特性。研究结果发现,GermaneneCr2Ge2Te6形成的异质结表现出拓扑特性,然而GermaneneCrI3形成的异质结表现出金属特性。进一步研究发现,由于GermaneneGe元素与衬底Cr2Ge2Te6GeTe元素形成很强的化学键,使得体系表现拓扑特性。通过能带演化分析得知,其拓扑特性来源于衬底Cr2Ge2Te6,而非Germanene。这意味着通过合适的表面修饰作用,可将二维的Cr2Ge2Te6铁磁绝缘体变成高温量子反常霍尔效应。为了验证该方案的可行性,我们还研究了硅烯(Silicene)长在Cr2Ge2Te6衬底和Cr2Ge2Te6生长在Ge(111)表面的拓扑特性。类似地,以上两个体系都表现出量子反常霍尔效应的特性。该研究结果为实验实现高温量子自旋霍尔效应提供了理论指导。

该研究成果以《Converting a two-dimensional ferromagnetic insulator into a high-temperature quantum anomalous Hall system by means of an appropriate surface modification为题于201948日发表在Phys. Rev. B期刊上。

全文链接:https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.165410


 

Germanene/Cr2Ge2Te6异质结的量子反常霍尔效应示意图(左图)及拓扑特性(右图)

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