Kane-Mele X4Y2Z6材料自旋电子和谷电子理论研究

Phys. Rev. B 109, 165424

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.165424

摘要

由于弱自旋轨道耦合（SOC）的存在，使得Kane-Mele模型在Xene固体中的实现面临挑战。

最近发现的X4Y2Z6家族(X=Pt, Pd, Ni；Y =Hg, Zn, Cd；和Z=S, Se, Te)为更大的SOC提供了有希望的机会。

中心对称的存在阻碍了自旋电子学和谷电子学的交叉耦合现象的实现。

本研究探索了Kane-Mele族的非中心对称版本，X4YY'Z6和X4YY (ZZ')3，包括超过16个可实验获得的组分。

结果揭示了涉及拓扑、自旋和谷自由度的交织现象，包括量子谷/自旋霍尔效应、自旋谷锁定和自旋谷选择性光学跃迁。此外，Rashba耦合与Ising自旋分裂共存，实现谷自旋阀功能和面外自发电极化。由于相反的自旋谷贝里曲率，量子谷霍尔扭结态可以在这些非中心对称单层之间的畴壁上实现。外部因素，如电场和应变，诱导各种拓扑相变。

本研究为探索低维非中心对称拓扑材料中的自旋谷物理奠定了基础。

结果

X4YY’Z6/X4Y2(ZZ’)3 单层材料的晶体结构。

Pt4Hg2Se6, Pt4Hg2Se3(S/Te)3,  Pt4Hg(Cd/Zn)Se6 和  Pt2(Pd/Ni)2Hg2Se6的晶体结构和电荷密度分布图。

Kane-Mele族材料的静电势分布。

各种非中心对称Kane-Male 材料单层的声子带色散

各种非中心对称Kane-Male 单层材料对应的无SOC和带有包含sz分辨能谱的SOC能带结构。

Ni4Hg2(TeSe)3  、 Pd4Hg2(TeSe)3 、Ni4Hg2(TeS)3  、 Pd4Hg2(TeS)3 、Ni4Hg2(SSe)3  和 Pd4Hg2(SSe)3 单层膜自旋分量S不同方向贡献

连续体模型：(a) - (c) X4Y2Z6族中不同强度U和λso的Berry曲率演化和拓扑相变示意图。

(d) - (f) λso > λR条件下λso与U的相互作用。(g) - (i)λso < λR条件下λso与U的相互作用。QSHI、QVHI和DSM分别表示量子自旋霍尔绝缘体、量子谷霍尔绝缘体和狄拉克半金属的态。

(j)在Kane-Mele SOC λso ~ 81.2 meV存在下U和λR的拓扑相图。自旋和谷陈数（Cs, Cv）也被标记。

非中心对称Kane-Male材料族弛豫结构几何，包括平衡晶格参数（a = b）、层厚度、测量的自发极化、能隙、内聚能、Ising自旋分裂尺寸以及相应的拓扑状态。QVHS和SVHS分别表示量子谷霍尔态和自旋谷霍尔态。

各种Kane-Male 单层材料在动量空间中的Berry曲率曲线，对应的圆二色性和表面态。

Pt4Hg2 (SeTe)3单层在动量空间上的自旋织构分布，价带顶和导带底Sx、Sy和Sz自旋分辨恒定能量轮廓。

(PtPd)2Hg2Se6层含SOC（和Ez电场）能谱和表面态。

不同拉伸量下Pt4Hg2(SeTe)3层sz分辨能谱的演变。随着拉伸的增加，带隙闭合和重新打开，标志着从QVH到QSH再到QVH状态的拓扑相变。

不同拉伸和压缩量下Pt4Hg2(SeTe)3和Pt4Hg2(SSe)3能谱的演变。

不同电场取向下 Pt4Hg2(STe)3 和  Pt4Hg2(SeTe)3 层sz分辨能带结构的演化。

在Pt4Hg2(SSe)3和Pt4Hg2(TeSe)3单层界面上实现量子谷霍尔扭结（QVHK）态。

 Pt4Hg2 (TeSe)3和Pt4Hg2Se6界面上量子自旋谷霍尔扭结（QSVHK）态的实现。