研究揭示了一系列新的量子反常霍尔绝缘体

近年来，物理学家和材料科学家已经发现了各种具有有趣特性和量子效应的新材料。这些材料作为研究量子效应和开发新量子计算设备的平台可能具有极高的价值。

引起特别关注的一类材料是量子反常霍尔绝缘体。这些材料具有有趣的特性，使它们能够利用量子力学效应和磁性，以高度受控和高效的方式导电。

中国复旦大学的研究人员最近一直在尝试寻找新的有前途的量子反常霍尔绝缘体。他们发表在《物理评论快报》上的最新论文概述了单层V2MX4的独特特性，它可能属于量子反常霍尔绝缘体的新家族。

“寻找本征量子反常霍尔材料是拓扑材料研究的一个重要目标，”该论文的合著者JingWang告诉Phys.org。“在我们预测了MnBi2Te4这一磁性拓扑绝缘体的范例并在奇数层中表现出量子反常霍尔效应之后，我们一直在考虑寻找新的大间隙本征量子反常霍尔绝缘体。”

大能隙量子反常霍尔绝缘体材料表现出量子反常霍尔效应，价带和导带之间具有相对较大的能隙。这些材料应该表现出两种看似冲突的特性之间的协同作用，即自旋轨道耦合和铁磁性。

“关键在于d轨道，其中拓扑和磁性共存，”王说。“在我们之前的工作中，我们最初提出了ATiX，一类以P4/nmm空间群为特征的量子反常霍尔材料，”王说。“P4/nmm的对称性分析最终使我们识别出P-42m空间群下的V2MX4材料。”

V2MX4是Wang及其合作者发现的新材料家族，可以使用已广泛用于合成具有相似结构的化合物(例如Cu2MX4和Ag2MX4)的工艺来合成。这个新材料家族总共包括10种具有非平凡拓扑带隙和类似特性的材料，其中6种已在理论上被证明具有动态和热力学稳定性。

“候选者的丰富性强调了这种结构的普遍性，增强了合成的前景，”王解释道。“就性能而言，我们认为对V2MX4系列的恰当描述是‘简单而强大’。简单的洪德定律提供了高居里温度(范围从200到500K)。伽马点的能带反转产生了一个大的非平凡的拓扑带隙(范围从100到300meV)。

Wang和他的同事进行的数值计算和模拟表明V2MX4材料具有丰富的拓扑性质。它们是奇数层的量子反常霍尔绝缘体、偶数层的轴子绝缘体、3D基态的反铁磁拓扑绝缘体以及3D铁磁态的3D量子反常霍尔绝缘体。

研究人员现已开始与实验物理学家团队合作，在实验室环境中合成V2MX4。他们的工作可以为识别其他有前途的量子反常霍尔绝缘体铺平道路，这可能对量子物理研究和量子技术发展产生有趣的影响。

Wang补充道：“V2MX4是大间隙高温量子反常霍尔绝缘体最具竞争力的候选材料之一。”“如果通过实验实现，可以极大地促进拓扑量子物理的研究和应用。我们下一步研究的一个重要目标是寻找新的本征拓扑绝缘体材料，我们同时与实验组合作制作V2MX4。”