钌酸锶异质结中量子反常霍尔效应的理论研究

Quantum anomalous hall effect (QAHE) is one of the most important quantum effects in topological insulators and it is important for realization of quantum computer. So far, the experimental observation of QAHE is achieved by ferromagnetically atomic doping on non-magnetic topological insulators, which breaks the time-reversal symmetry. However, the weakly electronic correlations between the doping electrons make the ferromagnetic ordering very weak and host a rather low Curie-temperature (Tc). This largely limits the application of magnetically doped topological insulators as potential devices of quantum computers. We found that the strongly electronic correlation effects in SrRuO3 make it possible for realization of room-temperature QAHE because: (1) the ferromagnetism in SrRuO3 is induced by a complex interplay between the itinerant and localized magnetism, leading to a high Tc; (2) As 4d perovskite material, SrRuO3 exhibits complex/exotic topological Hall effect, topological magnetism and magnetic monopole phenomenons. We will firstly study the electronic structures, magnetic orderings and topological properties by the state-of-the-art dynamical mean-field theory (DMFT) to simulate the strongly electronic correlation effects in SrRuO3 ultra-thin films heterostructuring with other perovskite materials. We will predict the SrRuO3 heterostructures that hosts room temperature QAHE to offer theoretical basis for realization of quantum computer.

量子反常霍尔效应(QAHE)是拓扑绝缘体的一种重要的量子效应，为未来量子计算机提供了重要的实现依据。目前，量子反常霍尔效应是通过磁性原子掺杂的方式来打破拓扑绝缘体的时间反演对称性而实现的。这种掺杂引入的载流子为弱相互作用电子，其铁磁态居里温度过低。这限制了磁性掺杂拓扑绝缘体的实际应用范围。我们发现强关联氧化物钌酸锶(SrRuO3)具备实现室温QAHE效应的两大关键因素: (1)SrRuO3中的铁磁性起源于巡游电子与局域磁性之间的复杂耦合，因而具有较高的居里温度; (2)SrRuO3薄膜可以通过结构调控，呈现出新奇的拓扑霍尔效应、拓扑磁结构以及磁单极等新奇的性质。本项目将采用动态平均场方法来考虑SrRuO3中的电子强关联效应，通过计算SrRuO3薄膜以及异质结体系的电子、磁结构以及拓扑性质，以期预测室温下的QAHE效应体系，为未来量子计算机的实现提供理论依据。

量子反常霍尔效应(QAHE)是拓扑绝缘体的一种重要的量子效应，为未来量子计算机提供了重要的理论依据。本项目将采用动态平均场方法来考虑SrRuO3中的电子强关联效应，通过计算SrRuO3薄膜以及异质结体系的电子、磁结构以及拓扑性质，以期预测室温下的QAHE效应体系，为未来量子计算机的实现提供理论依据。该研究项目计划采用SrRuO3钙钛矿结构强关联电子氧化物为母体，采用异质结化、薄膜化、表面化等手段来调控SrRuO3体系的电子结构、磁结构以及拓扑性质，进而在SrRuO3中寻找高转变温度的铁磁态以及具有拓扑边界态的材料体系。我们以第一性原理计算模拟为主要研究工具，密度泛函理论、动态平均场理论为主要研究方法，同时注重与实验团队的紧密联系，结合理论与实验两种研究路线，发现了可以采用如下的方式来实现，SrRuO3钌酸锶钙钛矿强关联电子氧化物体系的电子结构、磁结构与拓扑性质：（1）采用与钛酸锶（SrTiO3）组成异质结界面体系，同时采取调控材料生长实验参数的方式来控制 SrTiO3中氧空位的浓度，可以实现从SrTiO3到SrRuO3中的氧空位自发迁移，在界面处形成富含氧空位的高自旋绝缘体SrRuO3相，实现了对SrRuO3块体低自旋金属态到界面高自旋绝缘体态的转化；（2）通过采用水溶法制备RuO2原子层为截断面的SrRuO3表面，实现了块体低自旋金属态到界面高自旋绝缘体态的转化； （3）采用与钛酸锶（SrTiO3）组成异质结界面体系，实现从SrTiO3到SrRuO3中的氧空位自发迁移，在界面处形成富含氧空位的高自旋绝缘体SrRuO3相，实现了具有拓扑磁结构斯格明子态的界面态；（4）对于SrTiO3:SrRuO3界面处的高自旋绝缘体态，采用波长为360 nm的光子可以诱导体系从高自旋绝缘体态到高自旋金属态的转化；（5）进一步的研究发现采用A位与B位原子部分掺杂以及氢原子注入等方式可以改变体系的电子、光学甚至电输运性质。