二维铁磁范德华异质结中丰富的谷极化现象

   电子除了有电荷(charge),自旋(spin)的自由度以外，还具有“谷”(valley)的自由度。因此，操控“谷”的自由度可实现谷电子学。“谷”的特性反应在能带图是，在不同的K空间会有能谷的特性。典型的例子是石墨烯在不等价K和K’点有两个能谷。然而由于石墨烯零能隙的半金属性，其不等价的能谷很难进行操控。近年来实验中发现的过渡金属硫族化合物(TMDs),例如，单层MoS₂,由于其具有与石墨烯同样的六角晶格，单层2H-TMD材料也具有能谷的特性。区别于石墨烯的金属性，单层2H-TMD为典型的半导体材料，这为其实际应用提供了可能性。实验研究发现，利用光学手段可以精确操控TMD材料的能谷K和K’的自由度。除光学手段外，理论研究表明将TMD与铁磁绝缘体材料耦合在一起时，能谷K和K’也会出现不等价的特性。近年来实验中发现的铁磁绝缘体CrI₃和Cr₂Ge₂Te₆为该思路提供了实验的可行性。

张会生副教授与合作者系统研究了五种TMD单层（MoS₂、MoSe₂、MoTe₂、WS₂和WSe₂）与两种铁磁绝缘体（CrI₃和CrBr₃）形成的十种范德华异质结的电学、磁学、自旋谷极化以及拓扑特性。研究结果发现，在这些异质结中，CrI₃和CrBr₃的铁磁性可以被很好地保持。当不考虑自旋轨道耦合作用（SOC）时，所有体系都表现出绝缘性。考虑SOC作用后，由于WSe₂/CrBr₃和MoTe₂/CrBr₃体系中强的电荷转移导致这两个体系表现出金属性，并且出现了能带翻转，而对于其余八种体系仍然保持绝缘性。对于MoTe₂/CrBr₃，由于其层间很强的电荷转移导致该体系具有大的谷劈裂现象，能谷劈裂达28.7 meV如图（a），该数值远大于实验中在WSe₂/CrI₃测到3.5 meV的能谷劈裂。另外，我们发现少量空穴掺杂的MoTe₂/CrI₃可以实现谷极化的反常霍尔效应（AHE），如图（b）。此外，在WSe₂/CrBr₃体系也出现了能带翻转现象，进一步的拓扑计算表明该体系是谷极化的量子反常霍尔效应（QAHE），即能谷K处的陈数为-1，而能谷K’处的陈数为0，如图（c）。该研究结果为在二维范德华异质结中探索并实现丰富的谷极化现象提供了理论指导。

该研究成果以题为《Abundant valley-polarized states in two-dimensional ferromagnetic van der Waals heterostructures 》 于2020年5月6日在线发表在Phys. Rev. B期刊上。全文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.205404

二维铁磁范德华异质结中丰富的谷极化现象：（a）MoTe₂/CrBr₃体系中大的能谷劈裂；（b）空穴掺杂MoTe₂/CrI₃中谷极化的反常霍尔效应；（c）WSe₂/CrBr₃体系中谷极化的量子反常霍尔效应。