image: (a)正方格子的布里渊区, (b)沿高对称路径的能带示意图，(c)三种拓扑物态在自旋轨道耦合参数空间的相图。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
在二维系统，磁性和非平庸拓扑物态的结合可以诱导出新奇的物理现象。一个典型例子是量子反常霍尔效应(QAHE)，由于其存在无耗散的边缘态，QAHE预期将会在自旋电子学领域产生重要应用。QAHE最先是在蜂窝状的六角格子中被提出，之后人们对六角和三角格子进行了大量深入研究，提出了一些QAHE候选材料，但实验实现的温度都很低。在这些体系中过渡金属的d轨道电子通常扮演着重要的角色。两个有意思的问题会很自然地产生：(1) QAHE能否在另外的简单晶格如正方格子中产生? (2) 有没有可能实现p轨道的高温QAHE？基于以上两个问题，最近，中国科学院大学苏刚教授研究团队（尤景阳博士，顾波教授，苏刚教授）在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）发表研究论文，在正方格子中提出了p轨道的磁性拓扑物态，包括完全自旋极化的拓扑半金属、拓扑平庸的铁磁半导体和陈数为2的QAHE。
苏刚团队首先从对称性出发，并结合k·p微扰方法，考虑了85号群的正方格子在高对称点和高对称路径上可能的简并，提出了受自旋轨道耦合参数调节的三种拓扑物态，包括拓扑半金属、拓扑平庸的铁磁半导体态和量子反常霍尔态，并确定了相图。
苏刚团队据此提出了三种具体材料ScLiCl5, ScLiBr5和LiScX5 (X=Cl, Br) 作为例子，由于这些材料的自旋轨道耦合参数不同，经过仔细计算，发现它们可以分别实现前面提到的三种磁性拓扑物态（见上图(c)中标记的位置）。特别地，在LiScCl5中实现了高陈数的量子反常霍尔效应。在这三个材料体系中，发现磁性来源于卤族元素的px，py轨道上的电子，这不同于石墨烯的低能物理来自于pz轨道电子。发现在这些系统中px，py轨道可以产生大的原子自旋轨道耦合，从而导致了较大的面外磁性，并得到了稳定的铁磁性和较高的居里温度。
该项研究为探索p轨道电子的奇异拓扑物态和量子磁性提供了新的研究视角和不依赖于具体材料的理论方案。此项工作得到国家自然科学基金委、科技部重点项目和中科院先导专项的支持。
参看论文: P-orbital magnetic topological states on square lattice
Jing-Yang You, Bo Gu and Gang Su
Natl Sci Rev, nwab214 (2021), doi: 10.1093/nsr/nwab114
https://doi.org/10.1093/nsr/nwab114
Journal
National Science Review