電子電荷和自旋自由度已被廣泛應(yīng)用于邏輯計(jì)算與信息存儲器件領(lǐng)域，而有效操控電子的內(nèi)稟自由度是新型自旋電子器件的核心和關(guān)鍵。二維過渡金屬硫?qū)倩衔餅榇淼亩S單原子層材料由于其具有獨(dú)特的谷自由度和優(yōu)異的物理性質(zhì)，成為了新型谷電子學(xué)器件設(shè)計(jì)的優(yōu)選體系。當(dāng)前，谷電子學(xué)的最新進(jìn)展主要集中于由內(nèi)稟鐵磁性所引起的具有自發(fā)谷極化的材料體系，稱為鐵谷材料，但對于鐵谷與能帶拓?fù)湎嘟Y(jié)合、同時(shí)具有反常谷霍爾效應(yīng)和量子反?；魻栃?yīng)的體系則稍有發(fā)現(xiàn)，這類奇異的谷對比物理和多霍爾效應(yīng)在基礎(chǔ)研究和器件設(shè)計(jì)中具有廣泛的吸引力。因此目前研究的重點(diǎn)是尋找能夠?qū)崿F(xiàn)谷與拓?fù)浣Y(jié)合、具有多霍爾效應(yīng)的新型材料。

課題組基于密度泛函理論和緊束縛模型方法，成功設(shè)計(jì)了一種新型H相單層結(jié)構(gòu)RuClBr。通過計(jì)算Berry曲率、陳數(shù)、反?；魻栯妼?dǎo)以及在自旋軌道耦合作用下的手性邊緣態(tài)，我們證明了具有高居里溫度的單層RuClBr同時(shí)具有自發(fā)能谷極化現(xiàn)象和本征量子反?；魻栂?，即量子反常谷霍爾效應(yīng)相。特別重要的是，隨著電子關(guān)聯(lián)強(qiáng)度的改變，該體系可以在不同的量子態(tài)之間切換，包括鐵谷態(tài)、半谷半導(dǎo)體和量子反常谷霍爾態(tài)。進(jìn)一步的聲子譜研究表明，單層RuClBr具有良好的動力學(xué)穩(wěn)定性，易于在實(shí)驗(yàn)中制備。新型二維材料RuClBr不僅豐富了當(dāng)前的量子反?；魻柌牧象w系，揭示了電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)在二維材料中谷相關(guān)物理特性，而且為基于谷特性的多功能量子器件設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新型平臺。

此項(xiàng)工作是在泰山學(xué)者工程（ts20190939）、濟(jì)南市科技局“新高校20”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃（2021GXRC043），以及國家自然科學(xué)基金（52173283）等資助下，由張昌文教授團(tuán)隊(duì)（第一作者為研究生孫浩同學(xué)）完成的。該成果于2022年5月9日以“Valley-dependent topological phase transition and quantum anomalous valley Hall effect in single-layer RuClBr”為題在國際物理領(lǐng)域著名期刊Phys. Rev. B, 105, 195112 (2022) 上發(fā)表。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.105.195112