研究生王亚萍在基于高温狄拉克半金属材料实现量子反常霍尔效应取得新进展

在过去的二十年里，二维晶体已经收到了广泛的关注，其在高密度信息存储和量子计算器件方面有着潜在的应用前景。由于二维晶体的结构复杂性，蜂窝状晶格在无外场的情况下要实现狄拉克半金属材料和量子反常霍尔效应在实验上依然面临着很大的困难。

在本工作中，我们基于第一性原理计算提出了一种理想的候选材料来实现这些新奇的量子性质，即二维的蜂窝状金属-卤族化合物PdCl₃。我们发现PdCl₃薄膜是一种自旋极化率为100%的狄拉克半金属，通过蒙特卡洛模拟得到的居里温度可以达到528K。当考虑了自旋轨道耦合以后，费米面附近来源于dxz和dyz的能带发生了劈裂，该材料表现出了量子反常霍尔效应，可以通过陈数C=-1以及手性边缘态来进行表征。尤其重要的是，我们通过紧束缚模型进一步解释了PdCl₃蜂窝状晶格拓扑性的来源。我们发现该材料的非平庸的拓扑相对于4d电子的关联作用和自旋轨道耦合的协同调控是非常灵敏的，当我们增大在位库伦排斥U值时，体系会打开一个相当大的带隙（68.6meV）。除此之外，我们发现该体系具有良好的机械和动力学稳定性，应力的响应表明该材料很有可能在实验上通过外延的方式生长出来。PdCl₃晶格中高温的狄拉克半金属以及量子自旋霍尔效应的共存为无功耗的新兴自旋电子学器件提供了一个良好的平台。

该工作发表在一区期刊Journalof Materials Chemistry C上,在本课题组张昌文教授的指导下完成，获得了山东省自然科学基金（No:ZR2018MA033）的资助。

论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/tc/c8tc02500b