Chern insulating phases and thermoelectric properties of EuO/MgO(001) superlattices

凝聚态物理 点反射 塞贝克系数 铁磁性 超晶格 热电效应 电子能带结构 材料科学 带隙 电子 物理 量子力学
作者
Okan Köksal,Rossitza Pentcheva
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:103 (4) 被引量:6
标识
DOI:10.1103/physrevb.103.045135
摘要

The topological and thermoelectric properties of ${(\mathrm{Eu}\mathrm{O})}_{n}/{(\mathrm{Mg}\mathrm{O})}_{m}$(001) superlattices (SLs) are explored using density functional theory calculations including a Hubbard $U$ term together with Boltzmann transport theory. In ${(\mathrm{Eu}\mathrm{O})}_{1}/{(\mathrm{Mg}\mathrm{O})}_{3}$(001) SL at the lattice constant of MgO a sizable band gap of 0.51 eV is opened by spin-orbit coupling (SOC) due to a band inversion between occupied localized Eu $4f$ and empty $5d$ conduction states. This inversion between bands of opposite parity is accompanied by a reorientation in the spin texture along the contour of band inversion surrounding the $\mathrm{\ensuremath{\Gamma}}$ point and leads to a Chern insulator with $C$ = --1, also confirmed by the single edge state. Moreover, this Chern insulating phase shows promising thermoelectric properties, e.g., a Seebeck coefficient between 400 and $800\phantom{\rule{0.28em}{0ex}}\ensuremath{\mu}{\mathrm{VK}}^{\ensuremath{-}1}$. A similar SOC-induced band inversion takes place also in the ferromagnetic semimetallic ${(\mathrm{Eu}\mathrm{O})}_{2}/{(\mathrm{Mg}\mathrm{O})}_{2}$(001) SL. Despite the vanishing band gap, it leads to a substantial anomalous Hall conductivity with values up to --1.04 ${e}^{2}/h$ and somewhat lower Seebeck coefficient. Both cases emphasize the relation between nontrivial topological bands and thermoelectricity also in systems with broken inversion symmetry.

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