2D Materials编辑优选：能谷极化量子反常霍尔绝缘体RuBr2单层
本篇研究来自西安邮电大学郭三栋课题组。本文主要介绍了RuBr2可能内在就是一个能谷极化量子反常霍尔绝缘体。即使不是，也可以通过应变调控实现。
文章介绍
Valley-polarized quantum anomalous Hall insulator in monolayer RuBr2
San-Dong Guo （郭三栋）, Wen-Qi Mu （穆雯琪） and Bang-Gui Liu （刘邦贵）
通讯作者：
- 郭三栋，西安邮电大学
RuBr2具有和MoS2一样的晶体结构。首先我们研究了电子关联效应U(0-3 eV)对RuBr2的物理性质的影响。晶格参数随U的增加而增加，并且RuBr2的基态一直保持铁磁序。下面我们考虑磁各项异性对RuBr2电子态的影响。不同的磁性方向将会影响体系的对称性，进而会对体系的电子性质产生重要影响。
图一：总能隙以及-K和K谷能隙随U的变化
图二：dxy+dx2-y2和dz2轨道投影带结构U=1.5eV(a), 2.0eV(b)和 2.5eV(c)，以及对应的Berry曲率分布
首先假定磁各项异性处于面外，由于磁化强度是赝自旋，面外的铁磁仍然使体系保持着水平镜面，而破坏了所有的垂直镜面，这允许非零陈数的出现。随着U的增加，RuBr2经历了铁谷态（FV）、半铁谷金属态（HVM）、量子反常霍尔态（QAH）、半铁谷金属态和铁谷态，两个半铁谷金属态分别对应着-K和K点能隙关闭（图一）。这些能通过dxy+dx2-y2和dz2轨道的带反转以及-K和K谷的Berry曲率符号改变解释（图二）。dxy+dx2-y2和dz2轨道分布的改变也导致谷劈裂强度在价带和导带之间转变。在两个半谷金属态之间，RuBr2处于能谷极化量子反常霍尔绝缘体（图三), 无论能带隙和谷劈裂都大于室温热涨落能。接着假定磁各项异性处于面内，计算结果出示无铁谷和量子反常霍尔态存在，其中能隙随着U首先减小到0，然后继续增加。
图三：拓扑手性边缘态：左边缘（a）和右边缘（b）
最后我们计算了内在的磁各项异性能（图四), 随着U的增加体系从面外变成面内。只要RuBr2的真实U处于1.8eV-2.07eV之间, 它就是一个能谷极化量子反常霍尔绝缘体。即使U不在此范围，我们也可以通过应变实现能谷极化量子反常霍尔绝缘体。下面我们以U=2.25eV作为例子，研究了应变对RuBr2物理性质的影响。计算得到的结果与以U作为变量完全相似，例如图五和图一。
图四：磁各项异性能随U的变化
图五：总能隙以及-K和K谷能隙随应变a/a0的变化
总结，RuBr2可能内在就是一个能谷极化量子反常霍尔绝缘体。即使不是，也可以通过应变调控实现。一个附加结果，根据图一和图五，调控关联强度可以通过应变等价的实现。
研究背景：
拓扑非平庸的能带结构产生具有手征性的边缘态，从而导致量子反常霍尔效应，为突破摩尔定律和集成电路的发展提供了一个全新的原理。铁谷材料具有自发的谷极化，从而可以导致反常谷霍尔效应，其能作为未来非易失性存储材料，为存储工业未来的发展提供了新的可能。谷极化量子反常霍尔效应独特地将谷电子和自旋电子学与非平凡能带拓扑结合在一起，为研究磁性-谷-拓扑相互作用、探索新奇演生量子物态、实现新奇量子器件应用提供了新机遇。因此，搜寻大能隙, 高局里温度和大谷劈裂的能谷极化量子反常霍尔绝缘体对实际应用是有非常重要的现实意义。
作者介绍
郭三栋 副教授
西安邮电大学
- 郭三栋，西安邮电大学副教授。最近研究集中在二维多功能量子材料的理论计算与设计。第一作者发表于2D Materials, JMCC, Nanoscale, PRB, PCCP, NJP, APL等SCI文章70篇，被引用1700余次（Google），H-index 24。担任Advanced Energy Materials, JMCA, Nanoscale, JMCC, JPCL, PCCP,ACS AMI, NJP, APL等30余种期刊审稿人。入选英国皇家化学会物理化学类期刊2019年“Top 1%高被引作者排行榜”。获得英国物理学会2021年“高被引文章奖”。2020年度科学影响力全科科学家榜（Elsevier 旗下 Mendeley Data 发布），进入世界前4万名。
期刊介绍
- 2021年影响因子：6.861 Citescore：11.6
2D Materials（2DM）是一本重要的高质量交叉学科期刊，将基础研究与迅速发展的新材料及应用汇集在一起。期刊从多学科的视角出发，力争涵盖石墨烯研究的各个方面，及其它二维材料的相关研究。文章内容包括：石墨烯和石墨烯衍生材料；硅和锗/锗烷氮化硼；二维拓扑绝缘子；复合氧化物；复合材料；新型二维分层结构。