Quantum anomalous Hall effect and gate-controllable topological phase transition in layered EuCd2As2

拓扑绝缘体 量子反常霍尔效应 物理 铁磁性 凝聚态物理 拓扑序 拓扑(电路) 量子相变 实现(概率) 自旋电子学 无缝回放 绝缘体(电) 量子霍尔效应 相变 量子 量子力学 磁场 数学 光电子学 组合数学 统计
作者
Chengwang Niu,Ning Mao,Xiangting Hu,Baibiao Huang,Ying Dai
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:99 (23) 被引量:59
标识
DOI:10.1103/physrevb.99.235119
摘要

While the search for quantum anomalous Hall (QAH) insulators remains active, attention is also being paid to the controllable topological phase transitions, as they could enable the realization of both exotic quantum phenomena and novel spintronic devices. However, stable QAH insulators are innately rare to report since ferromagnetism often accompanies metallicity. Here we identify theoretically the realization of QAH effect in a stable two-dimensional ferromagnetic insulator, ${\mathrm{EuCd}}_{2}{\mathrm{As}}_{2}$ quintuple layers, as evidenced by the analysis of Chern number and chiral edge states. Remarkably, under electric field, a topological phase transition between QAH insulator and quantum spin Hall (QSH) insulator is revealed with the calculated nontrivial spin Chern number and Wannier charge centers for the QSH insulator. Unlike the conventional QSH insulator, here gapless edge states survive even though the time-reversal symmetry is broken by the ferromagnetic ordering. Our findings not only extend the advanced concepts but also afford exciting opportunities for experimental engineering and implementations of magnetic topological states.
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