Spontaneous valley polarization and valley-nonequilibrium quantum anomalous Hall effect in Janus monolayer ScBrI

凝聚态物理 杰纳斯 Berry连接和曲率 物理 各向异性 自旋电子学 磁化 拓扑(电路) 磁场 材料科学 铁磁性 量子力学 纳米技术 几何相位 数学 组合数学
作者
Jia Kang,Xiao-Jing Dong,Sheng-shi Li,Wei-xiao Ji,Changwen Zhang
出处
期刊:Nanoscale [Royal Society of Chemistry]
卷期号:15 (18): 8395-8405 被引量:47
标识
DOI:10.1039/d2nr07221a
摘要

Topology and ferrovalley (FV) are two essential concepts in emerging device applications and the fundamental research field. To date, relevant reports are extremely rare about the coupling of FV and topology in a single system. By Monte Carlo (MC) simulations and first-principles calculations, a stable intrinsic FV ScBrI semiconductor with high Curie temperature (TC) is predicted. Because of the combination of spin-orbital coupling (SOC) and exchange interaction, the Janus monolayer ScBrI shows a spontaneous valley polarization of 90 meV, which is located in the top valence band. For the magnetization direction perpendicular to the plane, the changes from FV to half-valley-metal (HVM), to valley-nonequilibrium quantum anomalous Hall effect (VQAHE), to HVM, and to FV can be induced by strain engineering. It is worth noting that there are no particular valley polarization and VQAHE states for in-plane (IP) magnetic anisotropy. By obtaining the real magnetic anisotropy energy (MAE) under different strains, due to spontaneous valley polarization, intrinsic out-of-plane (OOP) magnetic anisotropy, a chiral edge state, and a unit Chern number, the VQAHE can reliably appear between two HVM states. The increasing strains can induce VQAHE, which can be clarified by a band inversion between dx2-y2/dxy and dz2 orbitals, and a sign-reversible Berry curvature. Once synthesized, the Janus monolayer ScBrI would find more significant applications in topological electronic, valleytronic, and spintronic nanodevices.
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