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On-demand quantum spin Hall insulators controlled by two-dimensional ferroelectricity

凝聚态物理 铁电性 拓扑绝缘体 拓扑(电路) 拓扑序 量子霍尔效应 量子自旋霍尔效应 物理 电场 量子 材料科学 量子力学 磁场 数学 组合数学 电介质
作者
Jiawei Huang,Xu Duan,Sunam Jeon,Youngkuk Kim,Jian Zhou,Jian Li,Shi Liu
出处
期刊:Materials horizons [Royal Society of Chemistry]
卷期号:9 (5): 1440-1447 被引量:25
标识
DOI:10.1039/d2mh00334a
摘要

We propose a new class of quantum materials, type-II two-dimensional ferroelectric topological insulators (2DFETIs), which allow non-volatility and an on-off switch of quantum spin Hall states. A general strategy is developed to realize type-II 2DFETIs using only topologically trivial 2D ferroelectrics. The built-in electric field arising from the out-of-plane polarization across the bilayer heterostrucuture of 2D ferroelectrics enables robust control of the band gap size and band inversion strength, which can be utilized to manipulate the topological phase transitions on-demand. Using first-principles calculations with hybrid density functionals, we demonstrate that a series of bilayer heterostructures are type-II 2DFETIs characterized with a direct coupling between the band topology and polarization state. We propose a few 2DFETI-based quantum electronics, including domain-wall quantum circuits and topological memristors.
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