Исследование представило новое семейство квантовых аномальных изоляторов Холла

Слева: атомная структура монослоя V₂MX₄. Справа: электронная структура с топологическим киральным краевым состоянием монослоя V₂WS₄ (автор Ядун Цзян). Автор: адаптировано из Physical Review Letters (2024 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.106602.

В последние годы физики и ученые-материаловеды выявили различные новые материалы, обладающие интересными свойствами и квантовыми эффектами. Эти материалы могут оказаться очень ценными как в качестве платформ для изучения квантовых эффектов, так и для разработки новых квантовых вычислительных устройств.

Одним из классов материалов, привлекших особое внимание, являются квантово-аномальные изоляторы Холла. Эти материалы обладают интересными свойствами, которые позволяют им проводить электричество строго контролируемым и эффективным способом, используя квантово-механические эффекты и магнетизм.

Исследователи из Фуданьского университета в Китае недавно пытались идентифицировать новые многообещающие квантовые аномальные изоляторы Холла. Их последняя статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters, описывает уникальные характеристики монослоя V₂MX₄, который может принадлежать к новому семейству квантовых аномальных изоляторов Холла.

«Обнаружение внутренних квантовых аномальных материалов Холла является важной целью в исследовании топологических материалов», — рассказал Phys.org Цзин Ван, соавтор статьи. «После того, как мы предсказали MnBi₂Te₄, образцовый пример магнитного топологического изолятора и демонстрирующий квантовый аномальный эффект Холла в нечетном слое, мы задумались о поиске нового собственного квантового аномального изолятора Холла с большим зазором».

Квантово-аномальные изоляторы Холла с большой щелью демонстрируют квантово-аномальный эффект Холла с относительно большой энергетической щелью между валентной зоной и зоной проводимости. Эти материалы должны демонстрировать синергию двух, казалось бы, противоречивых свойств, а именно спин-орбитального взаимодействия и ферромагнетизма.

«Ключ кроется в d-орбиталях, в которых сосуществуют и топология, и магнетизм», — сказал Ван. «В наших предыдущих работах мы первоначально представили ATiX, класс квантовых аномальных материалов Холла, характеризующихся пространственной группой P4/nmm», — сказал Ван. «Анализ симметрии P4/нмм в конечном итоге привел нас к идентификации материалов V₂MX₄ в пространственной группе P-42m».

V₂MX₄, новое семейство материалов, идентифицированное Вангом и его сотрудниками, может быть синтезировано с использованием процессов, которые широко используются для синтеза соединений со схожей структурой, таких как Cu₂MX₄ и Ag₂MX₄. Это новое семейство материалов включает в общей сложности 10 материалов с нетривиальными топологическими запрещенными зонами и аналогичными свойствами, шесть из которых, как было теоретически доказано, обладают как динамической, так и термодинамической стабильностью.

«Обилие кандидатов подчеркивает универсальность этой структуры, расширяя перспективы синтеза», — пояснил Ван. «Что касается производительности, мы считаем, что семейство V₂MX₄ можно описать как «простое, но мощное». Простое правило Хунда обеспечивает высокие температуры Кюри (в диапазоне от 200 до 500 К). Инверсия зоны в гамма-точке приводит к большой нетривиальной топологической запрещенной зоне (в диапазоне от 100 до 300 мэВ).

Численные расчеты и моделирование, выполненные Вангом и его коллегами, показывают, что материалы V₂MX₄ обладают богатыми топологическими свойствами. Это квантово-аномальные изоляторы Холла в их нечетном слое, аксионные изоляторы в их четном слое, антиферромагнитные топологические изоляторы в их трехмерном основном состоянии и трехмерные квантово-аномальные изоляторы Холла в их ферромагнитном трехмерном состоянии.

Сейчас исследователи начали сотрудничать с командой физиков-экспериментаторов для синтеза V₂MX₄ в лабораторных условиях. Их работа может проложить путь к выявлению других многообещающих квантовых аномальных изоляторов Холла, что может иметь интересные последствия для исследований в области квантовой физики и развития квантовых технологий.

«V₂MX₄ выделяется как один из наиболее конкурентоспособных кандидатов на роль высокотемпературного квантово-аномального изолятора Холла с большими зазорами», — добавил Ван. «Если это будет реализовано экспериментально, это может значительно способствовать исследованиям и применению топологической квантовой физики. Важной целью нашего следующего исследования будет поиск новых внутренних топологических изоляционных материалов, и мы одновременно сотрудничаем с экспериментальными группами для изготовления V₂MX₄».