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(纯计算)北京大学李新征团队Phys. Rev. B: 二维材料中自旋三重态的拓扑激子绝缘体

时间：2024-04-08 来源： 浏览：

(纯计算)北京大学李新征团队Phys. Rev. B: 二维材料中自旋三重态的拓扑激子绝缘体

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2024年2月28日，Phys. Rev. B在线发表了北京大学李新征教授和中科院物理所 Yuelin Shao 课题组的研究论文，题目为《 Spin-triplet topological excitonic insulators in two-dimensional materials 》，论文的第一作者为 Huaiyuan Yang。

量子自旋霍尔绝缘体 （QSHIs）具有绝缘体相 带 隙和无 带 隙边缘态，支持边缘的非耗散螺旋 输运 ，这是由于它们 具有 非平庸的能带拓扑。与超导体类似， 激子绝缘体 （EIs）是近年来备受关注的另一种量子态。它是由Keldysh和Kopaev、Kohn和Jérome等人在20世纪60年代提出的，其由一个相组成， 当激子结合能E b 超过带隙E g 时， 由电子-空穴对组成的束缚激子形成凝聚态 。在 激子绝缘体 中，可检测的准粒子带隙打开类似于超导体，但不存在电荷输运，这阻碍了通过输运测量进行实验检测。

目前已有几个实验显示了 激子绝缘体，包括 在 1T-TiSe 2 和 Ta 2 NiSe 5 等具有晶格不稳定性的材料中，在 InAs/GaSb量子阱 和 MoS e 2 /WS e 2 双层 等人工异质结中，以及在稳定的 单层WT e 2 中。尽管如此，但仍然缺乏识别 激子绝缘体 相的系统策略。

在此研究中，利用第一性原理多体微扰理论（GW+BSE），作者证明了 激子绝缘体 可以存在于带隙非零的 量子自旋霍尔绝缘体 AsO和Mo 2 TiC 2 O 2 中 。它们的单粒子拓扑性质可以用 相同的 低能模型来描述，并且证明了 由于非平庸的能带几何 结构 ，该模型中的 激子绝缘体 相是自旋三重态 类型 。旋转对称性被s波 激子绝缘体序参量 打破， 各向异性吸收和可能的晶格重构可以 作为自旋三重态拓扑 激子绝缘体 相的特征 。当实现 激子绝缘体 时，大量的自旋三重态激子自发出现，并且可以观察到激子自旋霍尔效应。 激子绝缘体 和拓扑之间的耦合也意味着丰富的物理可以存在于保留多种特征的材料中。

图1  (a, c) AsO和Mo 2 TiC 2 O 2 原子结构的俯视图和侧视图；(b, d) AsO和 Mo 2 TiC 2 O 2 的PBE和GW 能带结构

图2  (a) 由k·p模型计算自旋向上部分的Berry曲率；(b) 能带几何效应对1s激子能级的影响示意图

图3 (a) 不同衬底介电常数的激子平均场相图；(b) 倒易空间 中0 K时非零激子序参量的绝对值和相缠绕条纹

图4  (a) 拓扑 激子绝缘体 相的 Wilson 环计算结果；(b) 不同极化方向下ω=0.4 eV处的吸收强度；(c) 激子自旋霍尔效应示意图；(d) 静态自旋霍尔电导率

【 论文链接 】
Yang, H., Zeng, J., Shao, Y . et al. Spin-triplet topological excitonic insulators in two-dimensional materials . Phys. Rev. B , 2024 , 109, 075167 . https://doi.org/ 10.1103/PhysRevB.109.075167

【其他相关文献】

[1]  Si, C., Jin, K., Zhou, J. et al. Large-gap quantum spin Hall state in MXenes: d-band topological order in a triangular lattice. Nano Lett ., 2016 , 16, 6584 . https://doi.org/ 10.1021/acs.nanolett.6b03118
[2]  Wang, Y., Ji, W., Zhang, C. et al. Two-dimensional arsenene oxide: A realistic large-gap quantum spin Hall insulator. Appl. Phys. Lett ., 2017 , 110, 213101 . https://doi.org/ 10.1063/1.4983781
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