扭曲的 II 型 Rashba 同質雙層結構：可調諧拓撲平坦能帶的平台

核心概念

本文提出了一種通過扭曲 II 型 Rashba 同質雙層結構來實現可調諧拓撲平坦能帶的新方法，並以扭曲的 BiTeI 雙層結構為例，預測了具有極窄带宽的平坦拓撲能帶的出現，以及隨著扭曲角度的增加，系統從谷霍爾絕緣體到量子自旋霍爾絕緣體的拓撲相變。

摘要

簡介

近年來，人們在扭曲的過渡金屬二硫屬化物同質雙層和多層石墨烯中發現了拓撲平坦能帶，引發了廣泛的研究興趣。這些系統中的拓撲莫爾平坦能帶在產生關聯驅動的分數態方面發揮著至關重要的作用。因此，發現具有拓撲平坦能帶的新結構對於實現和理解多電子系統中的拓撲物理學至關重要。

II 型 Rashba 效應

Rashba 效應通常存在於具有強自旋軌道耦合 (SOC) 和破缺反演對稱性的材料中，能夠在沒有外部磁場的情況下產生自旋極化電子態。與傳統的非中心對稱 Rashba 材料不同，II 型 Rashba 結構是中心對稱的，這可以通过堆疊兩個極化方向相反的層來實現。

扭曲的 II 型 Rashba 同質雙層結構

為了打破組合的 PT 對稱性並消除這些金屬態，可以通过扭曲 II 型 Rashba 同質雙層結構來實現弱週期性勢。BiTeI 是一種具有面外極化和強 Rashba 效應的層狀 vdW 材料。當將同質雙層 BiTeI 以相稱的小扭曲角扭曲形成莫爾超晶格時，局部層間原子位移將經歷緩慢的週期性調製，從而允許在莫爾晶胞中出現各種局部原子堆疊。

拓撲相變

隨著扭曲角的增加，在莫爾布里渊區的 +K/-K 點形成谷。重要的是，我們發現了一個臨界扭曲角 3.3°，在該角度下，C2 和 C3 能帶之間的帶隙閉合並形成無間隙狄拉克錐。當扭曲角大於臨界角時，C1 和 C2 能帶的 Z2 拓撲不变量從 0 切換到 1，當 C1 和 C2 能帶被填充時，產生非平凡的拓撲絕緣態。

總結

我們已經建立了反演堆疊的 Rashba 材料在扭曲下可以經歷拓撲相變的機制。其基本要素是由通用哈密頓量（方程式 1）在低能下描述的 II 型 Rashba 莫爾系統。這一理論框架有可能使用各種材料作為一致層來實現。這些經典的 Rashba 材料預計會經歷由適當的層間相互作用和莫爾勢驅動的拓撲相變，並且可以通過應力或電場等外部條件輕鬆地操縱它們。此外，Rashba 效應引起的能帶平坦性使其成為進一步實現整數或分數 QAH 效應的有希望的候選材料。

统计

扭曲的 BiTeI 雙層結構的平坦拓撲能帶的带宽低於 20 meV。
系統在扭曲角增加到 3.3° 時，會經歷從谷霍爾絕緣體到量子自旋霍爾絕緣體的拓撲相變。
單層 BiTeI 的有效質量 m* = 0.49 me，Rashba 強度 αR = 1.53 eV ∙Å。
AB 和 AC 堆疊的勢能比 AA 堆疊低約 100 meV。
AB 和 AC 亞晶格之間的微小能差約為 13 meV。

引用

"The interplay between electronic topology and correlation gives rise to numerous exotic quantum phases."
"The Rashba effect, generally existing in the materials with strong spin-orbit coupling (SOC) and broken inversion symmetry, is capable of creating spin-polarized electron states in the absence of external magnetic fields."
"This transition arises from a competition between the twisting-driven effective spin-orbit coupling and sublattice onsite energies presented in type-II Rashba moiré structures."

从中提取的关键见解

Twisted Type-II Rashba Homobilayer: A Platform for Tunable Topological Flat Bands

by Xilong Xu, H... 在 arxiv.org 11-19-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.10901.pdf

更深入的查询

除了扭曲 BiTeI 雙層結構外，還有哪些其他材料系統可以被用於實現 II 型 Rashba 莫爾系統並展現出類似的拓撲特性？

除了扭曲 BiTeI 雙層結構外，還有許多其他材料系統也具有實現 II 型 Rashba 莫爾系統並展現出類似拓撲特性的潛力。這些材料需要滿足以下幾個條件：

強自旋軌道耦合效應： 這是產生 Rashba 效應的必要條件。
層狀結構和較弱的層間交互作用： 這有利於形成莫爾超晶格，並通過扭曲角度調控層間耦合強度。
可控的層間堆疊方式： 這對於構建具有反平行極化方向的 II 型 Rashba 結構至關重要。

基於以上條件，以下列舉幾種可能的候選材料：

其他極性結構材料： 例如 BiTeCl、Sb2TeSe2、TiNCl 等，這些材料與 BiTeI 具有相似的晶體結構和電子結構，預計也具有較強的 Rashba 效應。
IV-VI 族化合物： 例如 GeTe、SnTe、PbS 等，這些材料也具有較強的自旋軌道耦合效應和層狀結構，並且已經被廣泛應用於拓撲絕緣體的研究。
二維鐵電材料： 例如 In2Se3 等，這些材料的自發極化可以產生內建電場，進而誘導出 Rashba 效應。
通過界面工程實現的非范德華 Rashba 材料： 例如 BaCdK2Sb2、KSnAs 等，這些材料本身可能不具有層狀結構，但可以通過界面工程手段（如分子束外延生長）構建出具有 II 型 Rashba 特性的異質結構。
值得注意的是，以上只是一些可能的候選材料，實際上還有許多其他材料系統也可能具有實現 II 型 Rashba 莫爾系統的潛力。通過對材料的自旋軌道耦合效應、層間交互作用、晶體結構等因素進行合理設計和調控，我們有望在更多材料系統中發現具有豐富拓撲特性的莫爾超晶格。

如何通過實驗驗證扭曲的 II 型 Rashba 同質雙層結構中的拓撲相變，例如利用哪些實驗技術和測量方法？

驗證扭曲的 II 型 Rashba 同質雙層結構中的拓撲相變需要綜合運用多种實驗技術和測量方法，以下列舉幾種可行方案：
1. 電學輸運測量：

量子霍爾效應測量： 拓撲相變通常伴隨著量子霍爾平台的出現或消失，因此可以通过測量霍爾電阻随磁場或栅压的变化来探测拓撲相變。
反常霍爾效應測量： 對於時間反演對稱性破缺的拓撲相，例如量子反常霍爾態，可以通过測量零磁場下的反常霍爾電阻來進行判斷。
電導測量： 拓撲相變也可能導致電導的突變，例如從絕緣態到金屬態的转变，可以通过測量電導随温度、磁場或栅压的变化来进行探测。
2. 光學和光譜學測量：

圓偏振光譜： 可以用於探測材料中的自旋結構和拓撲性質。例如，可以通过測量不同圓偏振光激發下的光吸收或光發射譜来判断材料是否具有谷霍爾效應或量子自旋霍爾效應。
角分辨光電子能譜（ARPES）： 可以直接測量材料的電子能帶結構，從而判斷是否存在拓撲非平庸的能帶以及能帶反轉等現象。
3. 掃描探針顯微鏡技術：

掃描隧道顯微鏡（STM）： 可以用於探測材料表面的電子結構和拓撲缺陷，例如可以用於觀察拓撲邊緣態的存在。
4. 其他實驗技術：

壓力調控： 可以通過施加外部壓力來改變材料的晶格結構和電子結構，進而調控拓撲相變。
電場調控： 可以通過施加外部電場來改變材料的載流子濃度和能帶結構，進而調控拓撲相變。
需要注意的是，以上只是一些常用的實驗技術和測量方法，具體的實驗方案需要根據所研究的材料系統和拓撲相的特性进行选择和优化。

扭曲的 II 型 Rashba 同質雙層結構中的拓撲平坦能帶的發現，對於開發基於拓撲材料的新型電子器件和量子計算平台有何潛在影響？

扭曲的 II 型 Rashba 同質雙層結構中拓撲平坦能帶的發現，為開發基於拓撲材料的新型電子器件和量子計算平台帶來了以下潛在影響：
1. 新型拓撲電子器件：

低功耗電子器件： 拓撲平坦能帶中的電子具有較大的有效質量，因此更容易被局域化，這有利於降低電子散射，从而降低器件的功耗。
高性能場效應晶體管： 拓撲平坦能帶可以提供更高的載流子濃度，並且可以通過栅压来调控能带填充，这为开发高性能场效应晶体管提供了新的思路。
自旋電子器件： II 型 Rashba 結構中的自旋軌道耦合效應可以用来操控电子的自旋自由度，这为开发新型自旋电子器件提供了可能性。
2. 拓撲量子計算平台：

拓撲量子比特： 拓撲平坦能帶中的拓撲缺陷，例如疇壁或渦旋，可以用来构建拓撲量子比特，这种量子比特对环境噪声具有更强的抵抗能力。
拓撲量子計算： 拓撲平坦能帶中的電子可以用来实现拓撲量子計算，这种量子計算方式具有更高的容错率和稳定性。
3. 其他潛在應用：

新型超導材料： 拓撲平坦能帶中的電子之間的强关联作用可能导致新型超導現象的出現。
拓撲光子學： 拓撲平坦能帶的概念也可以应用于光子晶体等光學系統中，从而实现拓撲光子器件。
總之，扭曲的 II 型 Rashba 同質雙層結構中的拓撲平坦能帶的發現，为凝聚態物理和材料科學领域带来了新的研究方向，并为开发新型電子器件和量子計算平台提供了新的可能性。然而，要将这些潛在應用转化为现实，还需要克服许多挑战，例如材料制备、器件加工、以及对拓撲平坦能帶中电子性质的深入理解等。