基于二维铁磁拓扑绝缘体的高温量子反常霍尔效应

量子反常霍尔效应是一种新奇的拓扑量子态，其体态的电子结构呈现绝缘特性，但是表面存在无耗散通道输运特征的表面态。其在无耗散自旋电子学中可能有重要的应用，其有可能应用到未来低能耗电子器件中。到目前为止，研究人员提出的实现量子反常霍尔效应的方案，主要是通过磁性原子掺杂或者近邻磁性衬底材料。迄今为止，实验上量子反常霍尔效应的实现，只能在磁掺杂拓扑绝缘体和极低温环境下。因此，寻找大带隙和高居里温度的量子反常霍尔效应体系是目前的研究热点。最近实验成功制备的二维层状Cr₂Ge₂Te₆, CrI₃和CrBr₃铁磁绝缘体为实现高温量子反常霍尔效应提供了新的研究思路。

张会生副教授及其合作者最近的工作为实现基于二维铁磁绝缘体的高温以及高陈数的量子反常霍尔效应提供了指导方案。首先，基于第一性原理的方法揭示了二维铁磁绝缘体CrBr₃单层具有拓扑非平庸的导带且高陈数的导带（C = 2）。通过碱金属掺杂后，其导带可以向下移至费米能级处，同时其拓扑特性可以很好地被保留。有趣的是，Na掺杂的CrBr₃体系具有陈数为4的拓扑态，且其居里温度为54 K，高于CrBr₃单层的居里温度（见图1）。其次，预测CrMnI₆单层是一个本征的陈数为2的高温量子反常霍尔效应体系，其居里温度为87 K，也高于单层CrI₃的54 K（见图2）。以上的研究结果为实现高温量子反常霍尔效应提供了理论指导。

研究成果分别以《High-temperature and multichannel quantum anomalous Hall effect in pristine and alkali-metal-doped CrBr3 monolayers》和《Prediction of monolayered ferromagnetic CrMnI₆ as an intrinsic high-temperature quantum anomalous Hall system》为题发表于Nanoscale和Phys. Rev. B期刊上。

全文链接：https://doi.org/10.1039/D0NR02829K

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.115413

图1. CrBr₃和Na掺杂CrBr₃的能带权重，紫色和绿色分别代表Cr的d_xz和d_yz轨道（上图），单层CrBr₃和Na掺杂CrBr₃的边界态（下图）。

图2. CrMnI₆的结构示意图、分子动力学模拟（左图），CrMnI₆和CrI₃单层的蒙特卡罗模拟（中图）及边界态（右图）。