JP6161147B2 - Electric field tunable topological insulator using perovskite structure - Google Patents

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Description

本発明は、ペロブスカイト構造を利用する電場調整可能なトポロジカル絶縁体に関する。   The present invention relates to an electric field adjustable topological insulator using a perovskite structure.

フォンクリッチングによる量子ホール効果(QHE)の発見は、凝縮体物理学における新たな章を開いた。ホール伝導度の整数係数が、電子波動関数のトポロジカル特性を表すチャーン数に他ならないことが明らかになった(非特許文献1及び2)。それ以来、凝縮体物理学の研究の主な推進力の1つは、起こり得るトポロジカル状態を調べることであった(非特許文献3〜10)。   The discovery of the quantum Hall effect (QHE) by von critching has opened a new chapter in condensate physics. It has been clarified that the integer coefficient of the Hall conductivity is nothing but the churn number representing the topological characteristics of the electron wave function (Non-patent Documents 1 and 2). Since then, one of the main driving forces in condensate physics research has been to investigate possible topological states (Non-Patent Documents 3-10).

ケーン(Kane)とメレ(Mele)によって、グラフェン(炭素原子の二次元蜂の巣格子)上の電子が、スピン軌道相互作用(SOC)によるギャップを開き、量子スピンホール効果(QSHE)絶縁体と呼ばれるトポロジー的に非自明な状態を達成することが明らかにされたときに画期的な発展が起きた(非特許文献4)。また、グラフェンでは固有SOCが極めて小さいためQSHEの検出が見込めないことが分かった。そして、強いSOCを有するHgTe量子井戸でのQSHEが、理論的に予測され(非特許文献5)、実験的に実現された(非特許文献6)。   Topology called Quantum Spin Hall Effect (QSHE) insulator by Kane and Mele causing electrons on graphene (two-dimensional honeycomb lattice of carbon atoms) to open a gap due to spin-orbit interaction (SOC) When it was clarified that an unobvious state was achieved, a breakthrough development occurred (Non-Patent Document 4). It was also found that graphene cannot be detected because graphene has a very low specific SOC. And QSHE in the HgTe quantum well which has strong SOC was predicted theoretically (nonpatent literature 5), and was realized experimentally (nonpatent literature 6).

ケーン−メレ(Kane-Mele)モデル(非特許文献4)とスピンレスのホールデーン(Haldane)モデル(非特許文献3)の両方に共通する本拠地として、蜂の巣格子は、電子系のトポロジカル特性の理解において特別な役割をする。その電子構造をベリー(Berry)曲率形状に注意して要約することは説明に役立つ(非特許文献11)。蜂の巣構造の単位胞には2つのサイトがある。最近傍ホッピングにより、電子の価電子帯(valance band)と伝導帯は、線形的に接触し、したがってブリルアンゾーンの角にある2つの等価でないk点、K及びK’にディラックコーンができる。ブロッホ波動関数は、KとK’のまわりで反対のキラル特徴を示し、これはベリー曲率が反対であるという特徴を有し、これが、トポロジカル状態を調べる際に蜂の巣格子の特別な位置を確立することを、確認することが重要である。   As a base common to both the Kane-Mele model (Non-patent Document 4) and the spinless Haldane model (Non-patent Document 3), the honeycomb lattice is used to understand the topological characteristics of electronic systems. Play a special role. Summarizing the electronic structure with attention to the Berry curvature shape is helpful for explanation (Non-Patent Document 11). There are two sites in the unit cell of the honeycomb structure. Nearest neighbor hopping causes the valance band and conduction band of electrons to be in linear contact, thus creating a Dirac cone at the two non-equivalent k points, K and K ', at the corner of the Brillouin zone. The Bloch wave function shows opposite chiral features around K and K ′, which has the feature that the belly curvature is opposite, which establishes a special position of the honeycomb lattice when examining the topological state It is important to confirm that.

時間反転対称性により、スピンアップチャネルとスピンダウンチャネルのベリー曲率は、図1(a)に示されたように重なる。固有SOCを導入することにより、2つのディラックコーンのギャップが開き、スピンアップチャネルのKとスピンダウンチャネルのK’でベリー曲率が反転して時間反転対称性が保存され、その結果、QSHE状態を特徴づける図1(b)のベリー曲率形状が得られる(非特許文献4)。更に、偏光などの谷自由度に共役な電場によって、スピンアップチャネルとスピンダウンチャネルの両方のKでベリー曲率が反転し、構成図1(c)が得られる(トポロジー的に自明な状態)(非特許文献12〜15)。バックルした蜂の巣格子を有するシリセンに均一な電場を印加することによって実現することができるスタガード電場により(非特許文献16)、Ezawaは、一方のスピンチャネルにおいてのみKでベリー曲率を反転させることができ、その結果、図1(e)で、電荷チャーン数とスピンチャーン数が同時に非ゼロになった(非特許文献15、非特許文献17〜19も参照)。バンドエンジニアリングは、固有SOCを利用してスピン、谷及び副格子の自由度の完全制御に基づく。ところで、図1(d)のベリー曲率形状は、量子異常ホール効果(QAHE)に相当する(非特許文献18〜23)。   Due to the time-reversal symmetry, the belly curvatures of the spin-up channel and the spin-down channel overlap as shown in FIG. By introducing the intrinsic SOC, the gap between the two Dirac cones is opened, and the Berry curvature is inverted between the spin-up channel K and the spin-down channel K ′, and the time-reversal symmetry is preserved. As a result, the QSHE state is changed. The belly curvature shape of FIG. 1B to be characterized is obtained (Non-Patent Document 4). Furthermore, an electric field conjugated to a valley degree of freedom such as polarization reverses the belly curvature at K in both the spin-up channel and the spin-down channel, and a configuration diagram (c) is obtained (topologically obvious state) ( Non-patent documents 12 to 15). With a staggered electric field that can be realized by applying a uniform electric field to silicene with a buckled honeycomb lattice (Non-Patent Document 16), Ezawa can invert the belly curvature with K only in one spin channel. As a result, the charge churn number and the spin churn number simultaneously became non-zero in FIG. Band engineering is based on full control of spin, valley, and sublattice degrees of freedom using intrinsic SOC. By the way, the belly curvature shape of FIG.1 (d) is corresponded to a quantum anomalous Hall effect (QAHE) (nonpatent literature 18-23).

ごく最近、シリセン層の両側に2つの強磁性体によってスタガード磁場が生成された電場調整可能なトポロジカル絶縁体を提案した非特許文献24が発表された。しかしながら、この文献によって提案された材料は、例えば約−200℃と、室温よりかなり低い温度領域でしか機能せず、したがって、この材料を使用する装置は、適切に動作するために冷凍装置を必要とする。   Most recently, Non-Patent Document 24 was proposed, which proposed an electric field adjustable topological insulator in which a staggered magnetic field was generated by two ferromagnets on both sides of a silicene layer. However, the materials proposed by this document only work in the temperature range, for example about -200 ° C., well below room temperature, and therefore devices using this material require refrigeration equipment to operate properly. And

本発明の目的は、室温及び更に高い温度でも機能するペロブスカイト構造を利用する電場調整可能なトポロジカル絶縁体を提供することである。   It is an object of the present invention to provide an electric field tunable topological insulator that utilizes a perovskite structure that functions at room temperature and higher.

本発明の一態様によれば、ペロブスカイト構造を利用して電場調整可能なトポロジカル絶縁体が提供され、ペロブスカイトG型反強磁性絶縁体が[111]方向に成長され、磁性元素は単一原子層において非磁性要素と置き換えられ、ここでd電子がバックルした蜂の巣格子上をホップする。   According to one embodiment of the present invention, a topological insulator capable of adjusting an electric field using a perovskite structure is provided, a perovskite G-type antiferromagnetic insulator is grown in a [111] direction, and a magnetic element is a single atomic layer. Is replaced with a non-magnetic element, where d electrons hop on the buckled honeycomb lattice.

本発明によれば、バルクが絶縁体でありながら、そのサンプルの周辺が金属特性を有する電場調整可能なトポロジカル絶縁体が提供される。更に、そのエッジ状態は、欠陥(磁性又は非磁性に関わらず)によって決して散乱されず、したがって散逸がなく、即ち電流が無損失である完全にスピン偏極された量子化電流を有する。したがって、電場が材料表面に印加される限り、電流はそのエッジに沿って循環し続ける。この状態は、室温よりかなり高い温度まで、例えば約300℃度まで持続する。本発明の材料は、非磁性欠陥と磁性欠陥の両方に頑強なスピン偏極された量子化エッジ電流を提供し、スピン偏極が電場を反転させることによって調整可能なので、スピントロニクス用途に理想的である。また、材料(又は、状態)は、無散逸電流を提供し、これは電力損失を制限するので、送電網内の電流輸送に役立つ。   According to the present invention, there is provided an electric field adjustable topological insulator in which the periphery of the sample has metallic properties while the bulk is an insulator. In addition, the edge state is never scattered by defects (whether magnetic or non-magnetic) and thus has a completely spin-polarized quantized current with no dissipation, ie no current loss. Thus, as long as an electric field is applied to the material surface, the current continues to circulate along its edges. This state lasts to a temperature significantly above room temperature, for example up to about 300 ° C. The material of the present invention provides a spin-polarized quantized edge current that is robust to both non-magnetic and magnetic defects, and is ideal for spintronic applications because the spin polarization can be adjusted by reversing the electric field. is there. The material (or condition) also provides a non-dissipative current, which limits power loss and thus helps current transport within the grid.

蜂の巣格子上の絶縁状態に関するベリー曲率とチャーン数の構成の図であり、(a)単純な蜂の巣格子、(b)QSHE、(c)時間反転対称性が壊れた自明状態、(d)QAHE、(e)電荷とスピンチャーン数が同時に非ゼロのトポロジカル状態である。FIG. 4 is a diagram of the configuration of Berry curvature and Chern number for the insulation state on the honeycomb lattice, (a) simple honeycomb lattice, (b) QSHE, (c) self-evident state with broken time reversal symmetry, (d) QAHE, (E) A topological state in which the charge and the spin churn number are simultaneously non-zero. (a)固有SOCが正(λ>0)と仮定した場合のスタガード電位Vと反強磁性磁場Mの状態図である。(b)及び(c)M<λとM>λの場合の電場調整時に交差するエネルギー準位の概略図である。(d)V=0.25、M=0.2及びλ=0.1の場合の蜂の巣格子のN=100ジグザグリボンのバンド構造である。(A) State diagram of staggered potential V and antiferromagnetic field M when it is assumed that the intrinsic SOC is positive (λ> 0). (B) and (c) are schematic diagrams of energy levels that intersect when adjusting the electric field when M <λ and M> λ. (D) Band structure of N = 100 zigzag ribbon of honeycomb lattice when V = 0.25, M = 0.2 and λ = 0.1. (a)B(濃い色)の1つの層がB’(淡い色)で置き換えられた6層ABB’Xペロブスカイトの三次元構造を示す概略図である。(b)及び(c)B’カチオンによって構成されたバックルした蜂の巣格子の側面と上面図を示す概略図である。(d)相互作用のないeg系の強束縛バンド構造を示す図であり、各バンドは、占有された場合の対応する電子構成で表される。挿絵は、B’の2つのeg軌道を示す。(A) It is the schematic which shows the three-dimensional structure of 6 layer ABB'X perovskite by which one layer of B (dark color) was replaced by B '(light color). (B) and (c) Schematic showing side and top views of a buckled honeycomb lattice composed of B ′ cations. (D) is a diagram showing a tight-binding band structure with no interaction e g system, each band is represented by a corresponding electronic structure when it is occupied. Illustrations shows two e g orbitals of B '. [111]方向に沿った超単位胞(AB’)/(Aを有するLaCrAgO及びLaCrAuOに関する第一原理計算に基づくバンド構造を示す図面である。[111] is a view showing a super unit cell (A 2 B '2 O 6 ) / (A 2 B 2 O 6) band structure in accordance with first principles calculations on LaCrAgO and LaCrAuO having 5 along the direction. 新しいトポロジカル状態の2つのコピーによって構成された「合成QSHE」絶縁体の装置を示す概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing a device of “synthetic QSHE” insulator constructed by two copies of a new topological state.

固有スピン軌道相互作用がある状態でスタガード電位と反強磁性交換磁場によるバンドエンジニアリングに基づく蜂の巣格子上の電子には、チャーン数とスピンチャーン数が同時に非ゼロになるトポロジカル状態が可能である。第一原理計算により、このことは、[111]方向に沿って成長されたペロブスカイトG型反強磁性絶縁体において、1原子層の磁性要素が非磁性要素と置き換えられることによって実現され、ここでd電子系はバックルした蜂の巣格子上でホップすることが確認された。   Electrons on the honeycomb lattice based on band engineering with staggered potential and antiferromagnetic exchange magnetic field in the presence of intrinsic spin-orbit interaction can have topological states in which the churn number and spin churn number are both nonzero. According to first-principles calculations, this is realized by replacing one atomic layer magnetic element with a non-magnetic element in a perovskite G-type antiferromagnetic insulator grown along the [111] direction, where It has been confirmed that the d-electron system hops on the buckled honeycomb lattice.

本発明では、固有SOCが存在する状態で、スタガード磁場が、Ezawaによって提案された偏光によって提供されるものと類似の役割を果たすことが分かった(非特許文献15)。スタガード磁場は、反強磁性(AFM)絶縁体によって実現できるので、光で支援した手法と比較して図1(e)のトポロジカル状態に基づくコンパクトで安定した装置が可能である。   In the present invention, it was found that the staggered magnetic field plays a role similar to that provided by the polarization proposed by Ezawa in the presence of intrinsic SOC (Non-Patent Document 15). Since the staggered magnetic field can be realized by an antiferromagnetic (AFM) insulator, a compact and stable device based on the topological state of FIG.

我々のアイデアを実現する材料として、ペロブスカイト構造(非特許文献25)のd電子系に注目する。最初に、磁性B原子上のG型AFM秩序を有するペロブスカイト絶縁体ABO3を選択する。シャオ(Xiao)らによって最初に記述されたように(非特許文献9)、[111]方向に沿って、B原子は、バックルした蜂の巣格子の積み重ねを構成し、この積み重ねは、原子的精度を有する最先端分子線エピタキシー(MBE)によって成長させることができる(非特許文献26)。成長過程で、B原子のバックルした一蜂の巣原子層が、非磁性のB’原子のものと置き換えられ、元素B’は、d8構成を構成するようにBと共役に選択される。バックルした蜂の巣格子上のB’−d電子に関して、固有SOCが大きくなり、均一の電場が、2つの副格子のスタガード電位を引き起こし、両側のB原子のG型AFM秩序が、AFM交換磁場を提供する。材料設計によって純粋的に交換場である磁場を与え、これにより永久強磁性体からの漏えい磁界を避けることができる。本発明の有効性は、幾つかの材料に関して第一原理計算を行なうことにより確認された。遷移金属ペロブスカイトにおいて、数十meVの固有SOCが確認され、これは、シリセンより一桁大きく、室温を超えても新しいトポロジカル状態を使用可能にする。 As a material that realizes our idea, we pay attention to the d-electron system of the perovskite structure (Non-patent Document 25). First, a perovskite insulator ABO 3 having a G-type AFM order on magnetic B atoms is selected. As first described by Xiao et al. (Non-Patent Document 9), along the [111] direction, B atoms constitute a stack of buckled honeycomb lattices, and this stack provides atomic accuracy. It can be grown by state-of-the-art molecular beam epitaxy (MBE) (Non-patent Document 26). During the growth process, the single-buckled atomic layer of B atoms is replaced with that of non-magnetic B ′ atoms, and the element B ′ is selected in a conjugate manner with B so as to constitute a d 8 configuration. For B'-d electrons on the buckled honeycomb lattice, the intrinsic SOC increases, the uniform electric field causes the staggered potential of the two sublattices, and the G-type AFM ordering of the B atoms on both sides provides the AFM exchange field To do. The material design provides a magnetic field that is purely an exchange field, thereby avoiding leakage magnetic fields from permanent ferromagnets. The effectiveness of the present invention has been confirmed by performing first-principles calculations on several materials. In the transition metal perovskite, an intrinsic SOC of tens of meV has been identified, which is an order of magnitude larger than silicene and enables the use of new topological states beyond room temperature.

[有効モデルと状態図]
AFM交換磁場と平面に垂直な均一電場との下でバックルした蜂の巣格子上の電子の4バンドハミルトニアンに基づいて我々の手法を説明する(電子構造が2つの縮退eg軌道を含むd8系では、k・p摂動理論を用いて4バンドハミルトニアンを2バンドハミルトニアンに縮小することによって有効H0を得ることができる)。
[Effective model and state diagram]
We describe our approach based on the 4-band Hamiltonian of electrons on a honeycomb lattice buckled under an AFM exchange magnetic field and a uniform electric field perpendicular to the plane (in d 8 systems where the electronic structure contains two degenerate eg orbitals, Effective H 0 can be obtained by reducing the 4-band Hamiltonian to the 2-band Hamiltonian using k · p perturbation theory).

は2つの非等価なK及びK’点のまわりで成り立ち、但しz軸がペロブスカイト構造の[111]方向に沿っている;σは、副格子のパウリ行列であり、τz=±1とsz=±1は、谷とスピンを示す二値自由度である。最初の2つの項は、単純なグラフェンと同じ最近傍ホッピングによるものであり(式1のすぐ前のかっこ内の注を参照)、第3項は、定義上正結合係数λ>0を有する固有SOCのものであり、これは、より重いホスト遷移金属原子とバックルした構造によって大きくなる可能性があり、第4項は、バックルした構造上の均一電位によって得られ、最後の項は、AFM交換磁場である。化学ポテンシャルは、0に設定され、全てのエネルギーは、この研究では最近傍ホッピング積分の単位で測定される。後で示すように、このモデルハミルトニアンは、[111]方向に沿って成長されたペロブスカイト構造を有する遷移金属酸化物の低エネルギー物理を示す。 Holds around two non-equivalent K and K ′ points, where the z-axis is along the [111] direction of the perovskite structure; σ is a sublattice Pauli matrix, τ z = ± 1 and s z = ± 1 is a binary degree of freedom indicating valleys and spins. The first two terms are due to the same nearest neighbor hopping as simple graphene (see the note in parentheses just before Equation 1), and the third term is inherent in having a positive coupling coefficient λ> 0 by definition. It is of SOC, which can be increased by heavier host transition metal atoms and buckled structures, the fourth term is obtained by the uniform potential on the buckled structure, and the last term is the AFM exchange It is a magnetic field. The chemical potential is set to 0 and all energy is measured in this study in units of nearest hopping integral. As will be shown later, this model Hamiltonian shows the low energy physics of a transition metal oxide having a perovskite structure grown along the [111] direction.

M場とλが固定されている間に電位Vを調整する際の系の挙動は、以下のように明らかにされ、これは我々の材料設計及び実験的操作と直接対応する。0<M<λの場合、V=0でのギャップはスピンアップチャネルとスピンダウンチャネルの両方ともトポロジー的に非自明で、QSHE状態を特徴づける(図1(c)を参照)。図2(b)に示されたように、Vが大きくなるとき、スピンアップチャネルのギャップは縮小し、V=λ−MになるとK’点(τz=−1)で閉じた後に、再び開く。この量子相転移は、スピンアップチャネルを自明状態にするが、スピンダウンチャネルは非自明のままである。一方のスピンチャネルだけ非自明なギャップを呈するこの絶縁状態は、Ezawaによって述べられたように、QSHEやQAHEなどの他のトポロジカル状態とは異なる(非特許文献15)。Vが更に大きくなるとき、スピンダウンチャネルのギャップは縮小し、V=λ+MになるとK点(τz=1)で閉じた後に、再び開き、これによりスピンダウンチャネルも自明になり、系は、第2の量子相転移によって自明な絶縁状態になる。 The behavior of the system in adjusting the potential V while the M field and λ are fixed is clarified as follows, which directly corresponds to our material design and experimental operation. When 0 <M <λ, the gap at V = 0 is topologically non-trivial for both spin-up and spin-down channels and characterizes the QSHE state (see FIG. 1 (c)). As shown in FIG. 2 (b), when V increases, the gap of the spin-up channel decreases, and when V = λ−M, after closing at the K ′ point (τ z = −1), again. open. This quantum phase transition makes the spin-up channel trivial, while the spin-down channel remains non-trivial. This insulating state in which only one spin channel exhibits a non-trivial gap is different from other topological states such as QSHE and QAHE as described by Ezawa (Non-Patent Document 15). When V becomes even larger, the spin-down channel gap shrinks, and when V = λ + M, it closes at the K point (τ z = 1) and then opens again, which also makes the spin-down channel self-evident, and the system becomes A trivial insulating state is obtained by the second quantum phase transition.

M>λの場合、V=0では系はスピンアップチャネルとスピンダウンチャネルの両方で自明なギャップを呈する(図1(c)を参照)。図2(c)で分かるように、Vが大きなるとき、τz=−1で、スピンダウンチャネルのギャップが縮小し、V=M−λで閉じた後に、再び開き、これにより、スピンダウンチャネルがトポロジカル状態になる。Vが更に大きくなるとき、スピンダウンチャネルのギャップはτz=1で縮小し、、V=λ+Mで閉じた後に、再び開き、これにより、系は自明な絶縁体状態になる。 For M> λ, the system exhibits a trivial gap in both spin-up and spin-down channels at V = 0 (see FIG. 1 (c)). As can be seen in FIG. 2 (c), when V is large, the gap of the spin down channel is reduced at τ z = −1 and closed again at V = M−λ, so that it opens again, thereby causing spin down. The channel becomes topological. As V becomes even larger, the spin-down channel gap shrinks at τ z = 1, closes at V = λ + M, and then reopens, thereby putting the system into a trivial insulator state.

上記の分析に対称性の考慮を加えれば、図2(a)に示されたような詳細な状態図を構成することができる。新しいトポロジカル状態は、3つの場|V|と|M|と|λ|の絶対値が三角形となったときに実現され、これは、3つの自由度σz、τz及びszの間の織り合いが新しいトポロジカル状態に重要であることをはっきり示す。図2(d)には、バックルした蜂の巣格子のジグザグリボンの典型的なバンド構造が示され、フェルミレベルで交差し、向かい合う二つのエッジに局所化された2つのエッジ状態がある(図1(e)を参照)。この状態図は、非特許文献15のものと類似しているが、この状態図では同じチャーン数を有する状態が対角線方向にあり、非特許文献15では同じ半分の空間内にある点が異なり、これは、2つのハミルトニアンにおける制御場の違いによるものである。 If consideration is given to symmetry in the above analysis, a detailed state diagram as shown in FIG. 2A can be constructed. A new topological state is realized when the absolute values of the three fields | V |, | M |, and | λ | are triangular, which is between three degrees of freedom σ z , τ z and s z . Demonstrate that weaving is important for new topological conditions. FIG. 2 (d) shows a typical band structure of a zigzag ribbon of a buckled honeycomb lattice, with two edge states that intersect at the Fermi level and are localized on two opposing edges (FIG. 1 ( see e)). This state diagram is similar to that of Non-Patent Document 15, except that in this state diagram, the state with the same churn number is in the diagonal direction, and in Non-Patent Document 15, it is in the same half space, This is due to the difference in control field between the two Hamiltonians.

実験Experiment

[材料の実現]
図3(a)に示されたペロブスカイトABO3材料では、AとBは、互いに
入り込む2つの単純立方格子を構成する。遷移金属Bのまわりの6個の酸素によって構成された八面体ケージは、d電子のダブレットeg及びトリプレットt2g軌道を生成する。[111]方向に、単純立方構造は、図3(b)及び(c)に示されたようなバックルした蜂の巣格子の積み重ねとして見ることができる。新しい座標では、2つのeg軌道の間に固有SOCが現われる。材料合成に関して、レーザ分子線エピタキシー(MBE)技術の最近の進歩により、ペロブスカイト構造を[111]方向に原子精度で成長させることができる(非特許文献26)。最初にシャオらによって示されたように、これらの全てによって、ペロブスカイト構造内のd電子が、トポロジカル状態を実現するのにきわめて有望なプラットホームになる(非特許文献9)。
[Realization of materials]
In the perovskite ABO 3 material shown in FIG. 3 (a), A and B constitute two simple cubic lattices that penetrate each other. Octahedral cage constituted by six oxygen around the transition metal B generates a doublet e g and triplet t 2 g trajectory of d electrons. In the [111] direction, a simple cubic structure can be seen as a stack of buckled honeycomb lattices as shown in FIGS. 3 (b) and (c). The new coordinates, unique SOC between the two e g orbitals appears. With regard to material synthesis, perovskite structures can be grown with atomic accuracy in the [111] direction due to recent advances in laser molecular beam epitaxy (MBE) technology (Non-patent Document 26). All of these, as first shown by Xiao et al., Make d electrons in the perovskite structure a very promising platform for realizing topological states (Non-Patent Document 9).

ペロブスカイト構造を有する多くの遷移金属酸化物が、ワイドギャップ反強磁性絶縁体として知られている。これらの材料のサブグループとして、バックルした蜂の巣格子の2つの副格子においてスピンが反強磁性的に整列するいわゆるG型AMF秩序をとる。これは、本発明において、材料設計と磁場操作によってポロジカル状態を実現する下地である。Bのバックルした一つの層は、非磁性元素B’と置き換えられ、バックルした蜂の巣格子の単一層上のB’−d電子が得られ、これらは、母材ABO3のG型AMF秩序からのAFM交換磁場を受ける(実際には、2つの磁気構成がある。発明者によって行なわれた第一原理計算から、AB’O3層内で所望のAFM磁化を引き起こすものが常により低いエネルギーを有することが分かった)。 Many transition metal oxides having a perovskite structure are known as wide gap antiferromagnetic insulators. As a subgroup of these materials, take the so-called G-type AMF order in which the spins are antiferromagnetically aligned in the two sublattices of the buckled honeycomb lattice. In the present invention, this is a base for realizing a porologic state by material design and magnetic field operation. One buckled layer of B is replaced by the nonmagnetic element B ′, resulting in B′-d electrons on a single layer of the buckled honeycomb lattice, which are derived from the G-type AMF ordering of the matrix ABO 3 . Subject to an AFM exchange field (in fact, there are two magnetic configurations. From first-principles calculations performed by the inventor, those that cause the desired AFM magnetization in the AB′O 3 layer always have lower energy I found out)

g軌道とt2g軌道の間にはギャップ(10Dq)があり、このために、t2g軌道が低エネルギー物理から除外される。各単位胞では、2個のB’原子が、計4つのeg軌道を拠出する。これらの4つの軌道のバンド構造は、図3(d)に示されたように、スレイター=コスター形式によって示されたホッピング積分による強束縛ハミルトニアンによって与えられる。2つのフラットバンドと交差する2つの分散バンドが見える。シャオら(非特許文献9、18、19)は、フラットバンドに注目し、d7(t6 2g1 g)構成を使用することによって強い電子相関に基づいてトポロジカル状態に関する興味深いシナリオを構築した。ここで、我々は、d8(t6 2g2 g)系を考えることによって、フェルミレベルで交わる2つの分散バンドに的を絞る。 There is a gap (10 Dq) between the e g and t 2g orbits, which excludes the t 2g orbit from low energy physics. In each unit cell, two B 'atom, to contribute a total of four e g orbitals. The band structure of these four orbits is given by a tightly bound Hamiltonian with a hopping integral shown by the Slater-Coster form, as shown in FIG. 3 (d). Two dispersion bands intersecting the two flat bands can be seen. Xiao et al. (9, 18, 19) focused on flat bands and constructed interesting scenarios for topological states based on strong electronic correlations by using the d 7 (t 6 2g e 1 g ) configuration. . Here we focus on the two dispersion bands that meet at the Fermi level by considering the d 8 (t 6 2g e 2 g ) system.

上記のアイデアを検証するために、第一原理計算は、バックルした蜂の巣格子上にd8(t6 2g2g)系を実現するために母材LaCrO3に、La2Ag26又はLa2Au26が一層挿入された系について行なわれた。計算に使用された超単位胞は、(La2B’26)/(La2265の構成を有する6層を有する。計算は、ウィーン非経験的シミュレーションパッケージ(VASP)(非特許文献28)で実現されたような交換相関のためのPerdew、Burke及びEhzorhof(PBE)のパラメータ化(非特許文献27)における一般化勾配近似(GGA)手法内で密度汎関数理論(DFT)を使用して行なわれる。バルク格子定数は、LaCrO3は3.85Åに設定され、原子位置は、超単位胞内で緩和される。Crの3d電子のオンサイトクーロン相互作用は、有効なU値(Ueff=U−J=5.4eV)によるDudarevの方法(非特許文献29)によって処理される。主要結果がU値の大きい窓に関して有効であることを確認した。運動量空間メッシュは、6×6×1であり、カットオフエネルギーは、440eVである。 In order to verify the above idea, first principles calculations, the base material LaCrO 3 in order to achieve a d 8 (t 6 2g e 2 g) based on the honeycomb lattice buckle, La 2 Ag 2 O 6 or This was carried out on a system in which a single layer of La 2 Au 2 O 6 was inserted. The ultra-unit cell used for the calculation has 6 layers with the structure (La 2 B ′ 2 O 6 ) / (La 2 B 2 O 6 ) 5 . The calculation is a generalized gradient in the parameterization of Perdew, Burke, and Ehzorhof (PBE) for exchange correlation as realized in the Vienna non-empirical simulation package (VASP) (Non-Patent Document 28). This is done using density functional theory (DFT) within an approximation (GGA) approach. The bulk lattice constant is set to 3.85 設定 for LaCrO 3 and the atomic position is relaxed in the ultra-unit cell. The on-site Coulomb interaction of 3d electrons in Cr is handled by the Dudarev method (Non-patent Document 29) with an effective U value (U eff = U−J = 5.4 eV). It was confirmed that the main results are valid for windows with large U values. The momentum space mesh is 6 × 6 × 1 and the cut-off energy is 440 eV.

図4(a)及び(b)に、GGA+U+SOC計算から得られたLaCrAgOとLaCrAuOのバンド構造を示す。まず、2つの材料内に、図3(d)のフェルミレベルに近い2つのフラットバンドと2つの分散バンドが実現される。強束縛モデルの図3(b)にはなかったKとK’における2つのギャップは、LaCrO3及びSOCからのAFM交換磁場によってもたらされた。KとK’における2つのギャップから、AFM交換磁場とSOCは、LaCrAgOの場合はM=0.141eVとλ=7.3meV、またLaCrAuOの場合はM=0.166eVとλ=32.91meVに算出される。また、幾つかの他の可能な材料に関して計算が行われ、結果が表1に一覧にされ、この表に、GGA+U+SOC計算から求められたAFM秩序とSOCのパラメータが示され、KNiInFとKNiTlFに関して、In2+及びTl2+の電子配置は、5s1と6s1である。最大の非自明ギャップが、2λによって示されるので、第一原理計算からの結果から、室温より十分に高い約660K(LaCrAuOの場合は2λ=65.82meVなので)でトポロジカル材料が実現されることがあることが分かる。新しいトポロジカル状態を実現する典型的な電場は、約0.1V/Åである。 FIGS. 4A and 4B show the band structures of LaCrAgO and LaCrAuO obtained from the GGA + U + SOC calculation. First, two flat bands and two dispersion bands close to the Fermi level in FIG. 3D are realized in the two materials. Two gaps in K and K ′ that were not in FIG. 3 (b) of the tightly bound model were brought about by AFM exchange fields from LaCrO 3 and SOC. From the two gaps at K and K ′, the AFM exchange field and SOC are M = 0.141 eV and λ = 7.3 meV for LaCrAgO, and M = 0.166 eV and λ = 32.91 meV for LaCrAuO. Calculated. Calculations were also made for several other possible materials and the results are listed in Table 1, which shows the AFM order and SOC parameters determined from the GGA + U + SOC calculation, and for KNiInF and KNiTlF, The electron configurations of In 2+ and Tl 2+ are 5s 1 and 6s 1 . Since the maximum non-trivial gap is indicated by 2λ, the results from the first-principles calculation show that a topological material can be realized at about 660K, which is sufficiently higher than room temperature (2λ = 65.82 meV for LaCrAuO). I understand that there is. A typical electric field that realizes the new topological state is about 0.1 V / Å.

[応用]
恐らく室温で実現可能なこの新しいトポロジカル状態は、スピントロニクス応用に理想的であり、その理由は、このトポロジカル状態が、非磁性欠陥と磁性欠陥の両方に頑強なスピン偏極量子化エッジ電流を提供し、このスピン偏極が電場を反転させることによって調整可能だからである。これは、無散逸電流の特徴により、送電網内の電流輸送に理想的である。
[application]
This new topological state, possibly achievable at room temperature, is ideal for spintronics applications because it provides a spin-polarized quantized edge current that is robust to both nonmagnetic and magnetic defects. This is because this spin polarization can be adjusted by reversing the electric field. This is ideal for current transport in the grid due to the characteristics of non-dissipative current.

新しいトポロジカル状態の2つの複製を使用することにより、「複合QSHE絶縁体」を実現することができる。図5(a)に示されたように、我々は、反対のバイアス電圧を有する2対の電極(即ち、丸い角を有する2つの上側と2つの下側の正方形板状物体)を製造することができる。2つのパッチは、逆のカイラリティとスピンを有する状態を示す。この装置を利用してスピンホール伝導度を測定することができる。図5(b)に示されたように、正スピン電流Isが左電極から注入されたとき、出て行くスピンアップ電流は、左電極から上側パッチの上縁部に沿って流れ(上向きの濃い色の実曲線)、入ってくるスピンダウン電流は、2つの電極の間の直線に沿って左電極に流れ込み(緑の実線)、その結果、電荷電流がゼロになる。電荷電流が上縁だけに流れ、そこに電荷を溜めるので、装置の上縁と下縁の間のホール電圧降下を検出することができる。前に実現されたQSHEと比較したとき、時間反転対称性の破壊的な摂動、例えば磁界又は磁性不純物が、装置の中心でスピンアップとスピンダウンによる逆の電荷電流を後方散乱することがなく、その理由は、そのとき電荷電流が、図5(b)に示されたように異なるパッチ内に分散されるからである。 By using two replicas of the new topological state, a “composite QSHE insulator” can be realized. As shown in FIG. 5 (a), we manufacture two pairs of electrodes with opposite bias voltages (ie, two upper and two lower square plates with rounded corners). Can do. Two patches show a state with opposite chirality and spin. The spin Hall conductivity can be measured using this apparatus. As shown in FIG. 5 (b), a positive spin current I s is when injected from the left electrode, the spin-up current outgoing flows along the left electrode the upper edge of the upper patch (upward The dark colored solid curve), the incoming spin-down current flows into the left electrode along the straight line between the two electrodes (green solid line), resulting in zero charge current. Since the charge current flows only at the upper edge and accumulates charge there, the Hall voltage drop between the upper and lower edges of the device can be detected. When compared to previously realized QSHE, time-reversal symmetry destructive perturbations, such as magnetic fields or magnetic impurities, do not backscatter reverse charge currents due to spin-up and spin-down at the center of the device, The reason is that the charge current is then distributed in different patches as shown in FIG. 5 (b).

[討論]
このトポロジカル状態は、電場によって蜂の巣格子面に対する反転対称が破られているために、僅かであるが、存在するRashba SOCに対して頑強である(非特許文献22及び23)。実際に、グラフェンでは、λR>λの場合に非自明なバンドギャップが閉じ、QSHEが、Rashba SOCによる2つのスピンチャネルの混合により破壊されることが知られている(非特許文献4)。例えばV=M>0を有する新しいトポロジカル状態において、2(2M−λ)のギャップは、スピンアップチャネルで開かれ、一方スピンダウンチャネルのギャップは2λである。表1に示されたようにM≫λなので、固有のものより強力なRashba SOCでさえ、
[Discussion]
Although this topological state is slightly reversed because the inversion symmetry with respect to the honeycomb lattice plane is broken by the electric field, it is robust to the existing Rashba SOC (Non-patent Documents 22 and 23). In fact, in graphene, it is known that a non-obvious band gap closes when λ R > λ, and QSHE is destroyed by mixing of two spin channels by Rashba SOC (Non-Patent Document 4). For example, in a new topological state with V = M> 0, a gap of 2 (2M-λ) is opened in the spin-up channel, while the gap of the spin-down channel is 2λ. Since M >> λ as shown in Table 1, even a Rashba SOC that is more powerful than the intrinsic one,

2つのスピンチャネルを混合してギャップを閉じることはできない。 You cannot mix two spin channels to close the gap.

本発明の材料は、スピントロニクス装置や送電網の電流輸送などの量子装置に最適である。   The material of the present invention is optimal for quantum devices such as spintronic devices and current transport in power transmission networks.

Thouless D J, Kohmoto M, Nightingale M P and den Nijs M 1982 Phys. Rev. Lett. 49 405Thouless D J, Kohmoto M, Nightingale M P and den Nijs M 1982 Phys. Rev. Lett. 49 405 Niu Q, Thouless D J and Wu Y S 1985 Phys. Rev. B 31 3372Niu Q, Thouless D J and Wu Y S 1985 Phys. Rev. B 31 3372 Haldane F D M 1988 Phys. Rev. Lett. 61 2015Haldane F D M 1988 Phys. Rev. Lett. 61 2015 Kane C L and Mele E J 2005 Phys. Rev. Lett. 95 226801Kane C L and Mele E J 2005 Phys. Rev. Lett. 95 226801 Bernevig B A, Hughes T L and Zhang S C 2006 Science 314 1757Bernevig B A, Hughes T L and Zhang S C 2006 Science 314 1757 Koenig M, Wiedmann S, Bruene C, Roth A, Buhmann H, Molenkamp L W, Qi X L and Zhang S C 2007 Science 318 766Koenig M, Wiedmann S, Bruene C, Roth A, Buhmann H, Molenkamp L W, Qi X L and Zhang S C 2007 Science 318 766 Hasan M and Kane C L 2010 Rev. Mod. Phys. 82 3045Hasan M and Kane C L 2010 Rev. Mod. Phys. 82 3045 Qi X L and Zhang S C 2011 Rev. Mod. Phys. 83 1057Qi X L and Zhang S C 2011 Rev. Mod. Phys. 83 1057 Xiao D, Zhu W, Ran Y, Nagaosa N and Okamato S 2011 Nature Comm. 2 596Xiao D, Zhu W, Ran Y, Nagaosa N and Okamato S 2011 Nature Comm. 2 596 Yang Y, Xu Z, Sheng L, Wang B G, Xing D Y and Sheng D N 2011 Phys. Rev. Lett. 107 066602Yang Y, Xu Z, Sheng L, Wang B G, Xing D Y and Sheng D N 2011 Phys. Rev. Lett. 107 066602 Xiao D, Shi J and Niu Q 2005 Phys. Rev. Let. 95 137204; Thonhauser T, Ceresoli D, Vanderbilt D and Resta R 2005 ibid 95 137205Xiao D, Shi J and Niu Q 2005 Phys. Rev. Let. 95 137204; Thonhauser T, Ceresoli D, Vanderbilt D and Resta R 2005 ibid 95 137205 Xiao D, Yao W and Niu Q 2007 Phys. Rev. Lett. 99 236809Xiao D, Yao W and Niu Q 2007 Phys. Rev. Lett. 99 236809 Zeng H, Dai J, Yao W, Xiao D and Cui X 2012 Nature Nanotech. 7 490Zeng H, Dai J, Yao W, Xiao D and Cui X 2012 Nature Nanotech. 7 490 Mak K F, He K, Shan J and Heinz T F 2012 Nature Nanotech. 7 494Mak K F, He K, Shan J and Heinz T F 2012 Nature Nanotech. 7 494 Ezawa M 2013 Phys. Rev. Lett. 110 026603Ezawa M 2013 Phys. Rev. Lett. 110 026603 Ni Z, Liu Q, Tang K, Zheng J, Zhou J, Qin R, Gao Z, Yu D and Lu J 2011 Nano Lett. 12 113Ni Z, Liu Q, Tang K, Zheng J, Zhou J, Qin R, Gao Z, Yu D and Lu J 2011 Nano Lett. 12 113 Liu C X, Qi X L, Dai X, Fang Z and Zhang S C 2008 Phys. Rev. Lett. 101 146802Liu C X, Qi X L, Dai X, Fang Z and Zhang S C 2008 Phys. Rev. Lett. 101 146802 Ruegg A, Fiete G A 2011 Phys. Rev. B 84 201103(R)Ruegg A, Fiete G A 2011 Phys. Rev. B 84 201103 (R) Yang K Y, Zhu W, Xiao D, Okamoto S, Wang Z and Ran Y 2011 Phys. Rev. B 84 201104(R)Yang K Y, Zhu W, Xiao D, Okamoto S, Wang Z and Ran Y 2011 Phys. Rev. B 84 201104 (R) Nagaosa N, Sinova J, Onoda S, MacDonald A H and Ong N P 2010 Rev. Mod. Phys. 82 1539Nagaosa N, Sinova J, Onoda S, MacDonald A H and Ong N P 2010 Rev. Mod. Phys. 82 1539 Yu R, Zhang W, Zhang H J, Zhang S C, Dai X and Fang Z 2010 Science 329 61Yu R, Zhang W, Zhang H J, Zhang S C, Dai X and Fang Z 2010 Science 329 61 Qiao Z, Yang S A, Feng W, Tse W K, Ding J, Yao Y, Wang J and Niu Q 2010 Phys. Rev. B 82 161414(R)Qiao Z, Yang S A, Feng W, Tse W K, Ding J, Yao Y, Wang J and Niu Q 2010 Phys. Rev. B 82 161414 (R) Ezawa M 2012 Phys. Rev. Lett. 109 055502Ezawa M 2012 Phys. Rev. Lett. 109 055502 Ezawa M 2013 arXiv.1301.0971Ezawa M 2013 arXiv.1301.0971 Mitchell R H, Perovskites 2002 Perovskites: Modern and Ancient (Almaz Press Inc., Ontario Canada)Mitchell R H, Perovskites 2002 Perovskites: Modern and Ancient (Almaz Press Inc., Ontario Canada) Ueda K, Tabata H and Kawai T 1998 Science 280 1064Ueda K, Tabata H and Kawai T 1998 Science 280 1064 Perdew J P, Burke K and Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865Perdew J P, Burke K and Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865 Kresse G and Furthmueller J 1996 Phys. Rev. B 54 11169Kresse G and Furthmueller J 1996 Phys. Rev. B 54 11169 Dudarev S L, Botton G A, Savrasov S Y, Humphreys C J, Sutton A P 1998 Phys. Rev. B 57 1505Dudarev S L, Botton G A, Savrasov S Y, Humphreys C J, Sutton A P 1998 Phys. Rev. B 57 1505

Claims (1)

ペロブスカイト構造を利用する電場調整可能なトポロジカル絶縁体であって、ペロブスカイトG型反強磁性絶縁体が[111]方向に成長され、前記ペロブスカイト構造中のBサイトの磁性要素が一原子単位層内で非磁性要素と置き換えられ、d電子が単一のバックルした蜂の巣格子上でホップするトポロジカル絶縁体。 An electric field tunable topological insulator using a perovskite structure, in which a perovskite G-type antiferromagnetic insulator is grown in the [111] direction, and a magnetic element at the B site in the perovskite structure is formed in one atomic unit layer. A topological insulator that replaces a non-magnetic element and d-electrons hops on a single buckled honeycomb lattice.
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