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系统研究单层氯化镧的拓扑特性

  氯化镧体材料1981年已经合成出来。计算表明该单层结构很容易被剥离,同时在室温下也很稳定。通过初性原理计算,我们揭示其具有面内铁磁基态,并且节点线简并态的轨道成分达到形成面内磁矩的要求。此外,面内磁矩在能量上具有各向同性特点,为实验上通过外磁场来调控面内磁矩方向提供了可能。

  随后,我们系统研究了单层氯化镧的拓扑特性。该材料晶体结构对称性较高,当面内磁矩沿特定角度时,自旋轨道耦合会打开简并的二维节点线,并退化成垂直于磁矩方向的镜面上两个简并点,从而形成半金属相。然而,当面内磁矩沿其它角度时,体系不存在镜面对称性,自旋轨道耦合会在简并的节点线上每个点都打开带隙,从而实现量子反常霍尔效应。

  进一步,量子反常霍尔效应对应的拓扑数是陈数,而这里陈数可以为 +1 或 -1。当面内磁矩方向跨过半金属相对应的特定角度,体系所对应的陈数就会反号。这意味着半金属相对应的就是拓扑相变的相变点。然后,还可以构造该体系的模型哈密顿量,借助紧束缚近似处理得到的结果与初性原理计算的结果严格相同,从而更进一步说明了单层氯化镧体系的拓扑特性。