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拓扑绝缘体中非磁性掺杂诱导的量子异常效应
量子异常霍尔效应（QAHE）已在磁掺杂的拓扑绝缘子中进行了实验观察到。然而，主要归因于吸毒者磁掺杂的超高温度（通常低于300 mk），成为潜在应用的艰巨挑战。在这里，提出了一种非磁性策略来产生铁磁性并在拓扑绝缘子中实现Qahe。我们从数值上证明，在BI 2 SE 3，BI 2 TE 3和SB 2 TE 3中，非磁性氮或碳取代可以诱导磁矩，而只有氮掺杂的SB 2 TE 3系统才能表现出远距离的铁磁性，并保存大型的散装带隙。我们进一步表明，其相应的薄膜可以在17-29开尔文的温度下携带Qahe，这比相似系统中典型实现的温度高两个数量级。我们提出的非磁性掺杂方案可能会阐明拓扑绝缘体中高温QAHE的实验性实现。
![arxiv：2408.10931v3 [cond-mat.mes-hall] 2024年10月31日](/simg/g:\will\search\icon\source\f\f8304c89cd63af8ca137569fbf9e9a947c382587.webp)
arxiv：2408.10931v3 [cond-mat.mes-hall] 2024年10月31日
By theoretically analyzing the recent temperature dependent transport data [Lu et al ., arXiv:2408.10203] in pentalayer graphene, we establish that the experimentally observed transition from low-temperature quantum anomalous Hall effect (QAHE) to higher-temperature fractional quantum anomalous Hall effect (FQAHE) is a crossover phenomenon arising from the competition between interaction and disorder energy尺度可能为零的温度基态具有局部绝缘体或具有量化异常效果的Chern绝缘子。尤其是，对Qahe有利于Qahe的吸引人的抑制作用是由于载体的低温定位而引起的，因为载体的低温定位会导致相互作用效应。我们提供了支持交叉场景的数据的详细分析。
![arxiv：2412.20129v1 [cond-mat.mes-hall] 2024年12月28日](/simg/g:\will\search\icon\source\c\c184a9d8b9272da8fc697d331459514fb372e38e.webp)
arxiv：2412.20129v1 [cond-mat.mes-hall] 2024年12月28日
从理论上讲，可以通过应用D-Wave Altermagnetism，可以在二维Z 2拓扑内硫酸（即Kane-Mele模型）中诱导Chern数字可调量子异常霍尔效应（QAHE）和二阶拓扑绝缘子。当Altermagentism的N´Eel向量位于X-Y平面中时，Z 2 Ti被损坏并驱动到二阶拓扑绝缘体阶段，在Nano akes上显示了代表性的角状态。当进一步包括固有的rashba自旋轨道耦合时，二阶Ti被进一步驱动到Qahe阶段，具有各种Chern数字（例如C =±1或±3）。当n´eel向量沿z方向时，固有的rashba旋转轨道耦合对于打破镜像对称性是必要的，以使二阶Ti和Qahe的顺序出现以及增加的异端力强度的提高。我们还观察了混合手续的Qahe，即存在反传播的边缘模式，但在色带边界处存在净手性电流。我们的作品表明，Altermagnetism在探索各种各样的拓扑阶段中起着至关重要的作用，就像其铁磁性和反铁磁性一样。
Mn -rich MNSB2TE4：在45–50 k
量子异常霍尔效应（QAHE）提供了量化的电导和无损传输，而无需外部磁场。[1]为此目的[2-4]将铁磁性与拓扑绝缘子结合起来的想法促进了材料科学。[5,6]这导致了QAHE在Cr-和V掺杂（BI，SB）2 TE 3 [7-11]中的实验发现，并在霍尔电阻率上进行了预先量化的量化值，以至于均为每百万个次数。[12–15] V或Cr替代的稳定3 +构型通过耦合过渡金属原子的磁矩来实现铁磁性，从而实现铁磁性。因此，通过垂直磁化 - 在拓扑表面状态的狄拉克点上的间隙开口，时间反转对称性被损坏。[2-5]该差距具有预先量化的电导率的手性边缘状态。但是，
铁磁（SB，V）2 ...
3D元素掺杂剂。因此，由于存在无量化边缘状态而导致的量子反转对称性可能会导致量子异常效应（qahe）的检测。[10–12]预计此类设备与常规超导体的组合可以容纳Majorana Fermions，这些设备适用于用于拓扑量子计算机的编织设备。[13,14]由于真实材料的频带结构很复杂，因此在较高温度下实现Qahe或Majoraana fermions是一项挑战。需要高度精确的频带结构工程来有效抑制散装带的贡献。迄今为止，这构成了基于Qahe开发实用设备的主要限制障碍之一。因此，不可避免的是对TI的频带结构的更深入的了解。shubnikov – de Hass（SDH）振荡是一种通常在干净的金属中观察到的量子相干性，其中电荷载体可以在没有杂志的网络下完成至少一个完全的回旋运动而无需杂物散射。[15]可以从振荡期和温度依赖性振幅变化中提取诸如费米表面拓扑和无均值路径之类的财富参数。[16]量子振荡已被广泛用作研究高温超导体和拓扑材料的工具。[17–20]最近观察到ZRTE 5中三维（3D）量子霍尔效应（QHE）的观察吸引了进一步的热情研究ti Mate的量子振荡。[24,27]但是，未观察到远程FM顺序。[21]在二进制化合物，BI 2 SE 3，BI 2 TE 3和SB 2 TE 3散装晶体和薄片中观察到了量子振荡。[22–25]在这些系统中，振荡起源于表面状态或散装带，具体取决于化学电位的位置。[26]最近，在掺杂的Ti单晶的3D元素中发现了量子振荡，例如Fe掺杂的SB 2 TE 3和V掺杂（BI，SN，SB）2（TE，S）3。结果促使制备相似材料的薄膜，并具有与高迁移率拓扑表面状态共存的FM顺序的潜力。到目前为止，据我们所知，只有少数报道观察到磁掺杂的TI中的量子振荡，例如V型（BI，SB）2 TE 3，Sm-Doped Bi 2 Se 3。[28,29]但是，
Bloch状态的浆果曲率
Quantum Hall效应首先是由Klitzing等人意外发现的。，1980年在2deg。此后在二维材料（例如石墨烯和WSE 2（过渡金属二甲基化）等材料中观察到了它。为了拥有QHE或QAHE，系统必须是二维的，因为拓扑Chern数仅在偶数上定义。另外，需要通过磁场或磁化而打破时反转对称性。最后，必须有一个完全填充的非零Chern数的能量带。在实践中，我们通常需要一个低温的环境，以避免在能量间隙上进行热激发，并具有高磁场以扩大能量隙（再次避免进行热启动）。如果间隙能量比热能大得多，则可能具有室温QHE（Novoselov等人。，2007年）。
扭曲的2D材料 - 凝结物理的新时代
凝结的异常实现，作为无磁场的量子霍尔效应（QHE）的平台，也称为量子 - 异常 - 霍尔效应（QAHE）。但是，没有人想象有一天可以创建该模型的物质实现。这种怀疑主义源于Mermin – Wagner定理，该定理被宽松地说明，意味着在2D中不存在远距离阶和术语晶体。在其影响下，实验者避开了试图实现2D材料，将发现延迟了数十年。在这种背景下，通过机械效果与石墨隔离石墨烯是一个巨大的惊喜。这一突破很快导致观察到异常的整数QHE确认了石墨烯中电荷载体的狄拉克性质。[4,5]然而，尽管很容易观察到QHE，但仍试图深入研究石墨烯荷载体的狄拉克性质，撞到了路障。随后通过使用STM和单电子晶体管来阐明进入石墨烯内在的特性的挑战。这些局部探针由于其2D性质而对石墨烯造成的，对掩盖其内在特性的随机电势波动极为敏感。因此，要准确探测石墨烯，保护其免受侵入性环境和底物诱导的干扰至关重要。
400 K 以上亚铁磁铕铁石榴石上拓扑绝缘体 (Bi,Sb)2Te3 中基于巨大贝里曲率的异常霍尔效应
摘要：为了实现高温下的量子反常霍尔效应（QAHE），采用磁邻近效应（MPE）的方法，破坏拓扑绝缘体（Bi0.3Sb0.7）2Te3（BST）基异质结构中的时间反演对称性，并与具有垂直磁各向异性的亚铁磁绝缘体铕铁石榴石（EuIG）形成异质结构。这里我们证明了大的异常霍尔电阻（R AHE），在 300 K 时超过 8 Ω（ρ AHE 为 3.2 μ Ω · cm），并在 35 个 BST/EuIG 样品中维持到 400 K，超过了 300 K 时 0.28 Ω（ρ AHE 为 0.14 μ Ω · cm）的过去记录。大的 R AHE 归因于 BST 和 EuIG 之间原子突变的富 Fe 界面。重要的是，AHE 环的栅极依赖性随着化学势的变化没有显示出符号变化。这一观察结果得到了我们通过在 BST 上施加梯度塞曼场和接触势进行的第一性原理计算的支持。我们的计算进一步表明，这种异质结构中的 AHE 归因于固有的贝里曲率。此外，对于 EuIG 上的栅极偏置 4 nm BST，在高达 15 K 的负顶栅电压下观察到与 AHE 共存的明显的拓扑霍尔效应（THE 类）特征。通过理论计算的界面调谐，在定制的磁性 TI 基异质结构中实现了拓扑不同的现象。关键词：拓扑绝缘体、磁性绝缘体、异常霍尔效应、磁邻近效应、第一性原理计算、贝里曲率