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西安邮电大学郭三栋课题组近期在Frontiers of Physics发表工作“Correlation-driven threefold topological phase transition in monolayer OsBr₂”，通过第一性原理计算和理论分析揭示了电子关联在决定单层OsBr₂材料拓扑和能谷性质的重要性。

电子关联和自旋轨道耦合(SOC)对材料的性质，特别是拓扑和能谷性质的影响至关重要。同主族局域d电子的过渡金属元素中从上到下关联效应减弱，但是SOC增强。OsBr₂具有和MoS₂一样的晶体结构^[1]。作者研究了电子关联效应U (0-2.5 eV)对OsBr₂的物理性质的影响。晶格参数随U的增加而增加，并且OsBr₂的基态一直保持面外铁磁序。由于磁化强度是赝自旋，磁各向异性处于面外仍然使体系保持着水平镜面，而破坏了所有的垂直镜面对称，这允许非零陈数和自发谷极化的出现。随着U的增加，OsBr₂发生三重拓扑相变，可以诱导谷极化量子反常霍尔绝缘体(VQAHI)到半谷金属(HVM)再到铁谷绝缘体(FVI)到HVM到VQAHI再到HVM到FVI转变（图1）。前两个半谷金属态对应着K谷能隙关闭，而第三个对应着-K谷能隙关闭（图1）。相关区域对应的边缘态出示在图2。这些能通过d_xy+d_x²_-y²和d_z²轨道的带反转以及-K和K谷的Berry曲率符号改变解释。

图1 总能隙以及-K和K谷能隙随U的变化. A和E为VQAHI；B、D和F为HVM；C和G为FVI.

图2 A、C、E和G四个区域对应的边缘态.

类似于MoS₂，OsBr₂也具有面内压电系数d₁₁（图3），从而可以实现二维多功能压电材料，例如压电铁谷材料和压电谷极化量子反常霍尔绝缘体。作者最近提出在铁谷材料中可以通过压电效应产生电场，从而实现反常谷霍尔效应。这种现象称为压电反常谷霍尔效应，可以归入压电谷电子学(Piezovalleytronics)^[2]。

图3 面内压电系数d₁₁作为U的函数.

虽然Fe、Ru和Os原子具有相同的外层电子，但它们的SOC强度不同。假设面外磁各向异性是固定的，随着SOC强度的不同，增大U值可以产生不同的电子态相图。对于单层FeCl₂和RuBr₂，两重拓扑相变能被观察到，顺序为FVI到HVM到VQAHI到HVM到FVI^[3,4]。而对于OsBr₂，则为三重拓扑相变，它经历VQAHI、HVM、FVI、 HVM、VQAHI、HVM和FVI。SOC越强，面外磁各向异性到面内转变的临界U值越高^[3,5]，这对于生成新奇相图是非常重要的。例如, 对于FeClF单层，由于小的临界U，其本征相图没有特殊的量子反常霍尔绝缘体（QAHI）和HVM电子态^[5]。单层FeClF, RuBr₂和OsBr₂的本征电子态相图出示在图4。可以清楚地看到，OsBr₂的本征相图不同于单层FeClF和RuBr₂的相图。

图4 单层FeClF (a)、RuBr₂ (b)和OsBr₂ (c)的本征电子态相图，包含QAHI、HVM、FVI、铁磁半导体(FMS)和铁磁半金属(FMSS).

对于给定的材料，电子关联强度应是固定的，OsBr₂应该为相图中的某一特定电子态。然而，调控关联强度可以通过应变等价地实现，这已经在RuBr₂中被证实（图5）^[3]。因此，在实际应用中，利用应变仍然可以在OsBr₂中获得丰富的电子态和新奇的相变。

参考文献：

1．H. Huan, Y. Xue, B. Zhao, G. Y. Gao, H. R. Bao, and Z. Q. Yang, Phys. Rev. B 104, 165427 (2021)

2．S. D. Guo, J. X. Zhu, W. Q. Mu, and B. G. Liu, Phys. Rev. B 104, 224428 (2021)

3．S. D. Guo, W. Q. Mu, and B. G. Liu, 2D Mater. 9, 035011 (2022)

4．H. Hu, W. Y. Tong, Y. H. Shen, X. Wan, and C. G. Duan, npj Comput. Mater. 6, 129 (2020)

5．S. D. Guo, J. X. Zhu, M. Y. Yin, and B. G. Liu, Phys. Rev. B 105, 104416 (2022)

郭三栋，西安邮电大学副教授，以本人或者学生作为第一作者发表于Phys. Rew. B、Appl. Phys. Lett.、2D Mater.、JMCC、Nanoscale、NJP、Frontiers of Physics等SCI文章80余篇，被引用1900余次(Google)，其中3篇被引大于100次，H-index 25。担任Adv. Energy Mater.、Nano Energy、Appl. Phys. Lett.等40余种期刊审稿人。入选英国皇家化学会物理化学类期刊2019年“Top 1%高被引作者排行榜”。获得英国物理学会2021年“高被引文章奖”。2021和2022全球前2%科学家——年度科学影响力排行榜（Elsevier旗下 Mendeley Data 发布），进入世界前4万名。2022年全球前2%科学家——学术生涯科学影响力排行榜（1960-2021）。

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