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(纯计算)波兰科学院Phys. Rev. B: 二维MSi2Z4中的量子自旋霍尔态

时间：2023-01-20 来源： 浏览：

(纯计算)波兰科学院Phys. Rev. B: 二维MSi2Z4中的量子自旋霍尔态

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2022年12月29日，Phys. Rev. B在线发表了波兰科学院Bahadur Singh课题组的研究论文，题目为《Switchable large-gap quantum spin Hall state in the two-dimensional MSi2Z4 class of materials》。

量子自旋霍尔(QSH)绝缘体表现出自旋极化导电边缘态，这些态受到拓扑保护，不受背向散射的影响，并为解决基础科学问题和器件应用提供了独特的机会。然而，寻找具有这种拓扑态的可行材料仍是一个持续的挑战。在此研究中，作者利用第一性原理预测了新合成的具有1T’结构的自下向上二维MSi2Z4 (M=Mo或W; Z=P或As)材料家族中的大带隙 量子自旋霍尔 绝缘体。 2H相的结构畸变驱动了P/As的p态和金属(Mo/W)d态之间的能带反转，以实现无自旋-轨道耦合(SOC)的无自旋狄拉克态 。 当包含自旋-轨道耦合时，在能带交叉点打开了一个大到204 meV的杂化带隙，实现了自旋极化导电边缘态，具有几乎量子化的自旋霍尔电导率 。此外，研究证明了 反转带隙可以用垂直电场来调节，它驱动拓扑相变从 量子自旋霍尔态绝缘体转变 到具有类似Rashba边缘态的平庸绝缘体 。此研究发现二维MSi2Z4材料家族在1T’结构中具有大带隙，具有 受保护的自旋极化边缘态的 可调 量子自旋霍尔 绝缘体和大自旋霍尔电导率。

图1 MoSi2P4单层 的晶体结构、布里渊区、声子谱和AIMD
图2 1T’- MoSi2P4单层 的能带结构
图3 1T’- MoSi2P4单层 的边缘态
图4 1T’- MoSi2P4单层 的本征自旋霍尔电导率和Berry曲率

图5 1T’- MoSi2P4单层随电场变化 的能带结构
图6  1T’- MoSi2P4单层随电场变化 的拓扑相图
【 论文链接 】
Islam, R., Verma, R., Ghosh, B. et al. Switchable large-gap quantum spin Hall state in the two-dimensional MSi2Z4 class of materials. Phys. Rev . B , 2022 , 106, 245149. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.106.245149

【其他相关文献】

[1] Qian, X., Liu, J., Fu, L. et al. Quantum spin Hall effect in two-dimensional transition metal dichalcogenides, Science , 2014 , 346, 1344. https://doi.org/10.1126/science.1256815
[2]  Tang, S., Zhang, C., Wong, D. et al. Quantum spin Hall state in monolayer 1T’-WTe2. Nat. Phys ., 2017 , 13, 683–687. https://doi.org/10.1038/nphys4174

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