具有大磁晶各向异性能的单层BaPb的室温量子反常霍尔效应*

张蔚曦 李勇 田昌海 佘彦超

(铜仁学院物理与电子工程系, 铜仁 554300)

具有巨大应用潜力的二维材料在纳米技术领域引起了人们极大的研究兴趣.基于第一性原理计算, 本文预测了二维六角晶格BaPb体系具有室温量子反常霍尔效应.体系磁基态是铁磁半金属态, 并且自旋极化的Pb-p轨道导致体系的时间反演对称性破缺.具有非零Chern数(C = 1)的单层BaPb中非平庸拓扑性来源于全自旋极化的px,y轨道形成的二次型非狄拉克能带.不同于之前报道的pz轨道形成的狄拉克拓扑态很容易被衬底破坏, px,y轨道形成的σ键非常稳定.当考虑自旋-轨道耦合作用时, 二次型的非狄拉克点打开了接近177.39 meV的非平庸带隙.通过反常霍尔电导、陈数、贝里曲率和边缘态的计算, 证实了BaPb非平庸的拓扑性.此外, 体系还表现出每个单元52.01 meV的大磁晶各向异性能.

1 引 言

在过去的十几年里, 二维材料由于其独特的物理化学性质, 在许多领域均有着广泛的应用, 例如纳米电子和光器件、能量存储、催化和化学传感器等[1-6].Haldane[7]基于二维蜂窝状晶格提出了量子反常霍尔效应(quantum anomalous Hall effect,QAHE).这一理论预测激发了研究者们对非耗散电子器件应用的极大兴趣[8-11].然而, 实现QAHE的难点在于既要满足时间反演对称性的破坏, 又要满足自旋-轨道耦合(spin-orbit coupling,SOC)[12-15].因此, 建立长程铁磁有序的体系成为最常规的设计思路.目前, 该方法只能使QAHE在极低温条件下(通常低于100 mK)观察到, 因为长程磁序会被磁畴破坏[16-18].随后, V-I或Cr-V共掺杂和三掺杂的拓扑绝缘……