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硅碳衬底上拓扑绝缘体单层铋烯量子谷极化反转与自旋铁磁性与反铁磁性

DOI：10.1103/PhysRevB.100.165417 期刊：Physical Review B 出版年份：2019 更新时间：2025-09-23 15:19:57
摘要： 我们采用一个能精确描述该拓扑绝缘体低能电子能带结构的最小紧束缚模型，在线性响应区间研究了SiC衬底上大带隙拓扑绝缘体单层铋烯量子点中与电子输运相关的谷极化和自旋极化现象。研究发现：对于锯齿型边缘结构，当费米能级位于体材料带隙内时，电子边缘态会呈现强谷极化特性。我们预测当费米能级从价带顶移动到导带底，或通过量子点的电流方向反转时，边缘态的谷极化会在K和K'谷之间切换。若量子点内存在非均匀静电势，电子在穿越量子点过程中其谷极化可能发生反转。这种谷极化反转源于锯齿型边缘态色散曲线穿过分隔K与K'谷的布里渊区中心，因而被预测为普遍现象。虽然边缘态内的自旋极化呈现铁磁特性（符合自旋霍尔器件的预期），但计算表明体材料价带散射态的自旋极化面外分量具有反铁磁特性，且奈尔矢量面外分量的方向取决于电子积累主要归属于K谷还是K'谷。
作者： Mohammadhadi Azari，George Kirczenow
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研究概述 实验方案

研究目的

研究SiC上大带隙拓扑绝缘体单层铋烯量子点中与电子输运相关的谷极化和自旋极化。

研究成果

该研究预测，在SiC衬底上单层铋烯量子点的边缘态中存在显著的谷极化现象，当费米能级变化或电流方向反转时，谷极化会在K和K'谷之间切换。边缘态内的自旋极化为铁磁性，而体材料价带态的自旋极化为反铁磁性，其方向取决于谷极化。这些发现表明其在谷电子学和自旋电子学领域具有潜在应用价值。

研究不足

该研究是理论性的，基于一个最小紧束缚模型。需要实验验证来确认预测结果。该模型假设了理想条件，未考虑潜在的实际缺陷或模型中未包含的相互作用。

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