(纯计算)波兰科学院Phys. Rev. B: 二维MSi2Z4中的量子自旋霍尔态_行业动态_化工资讯

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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