First principles prediction of novel quantum topological insulator state in two-dimensional XMg2Bi2 (X=Eu/Yb)

拓扑绝缘体 绝缘体(电) 量子 凝聚态物理 拓扑(电路) 物理 材料科学 量子力学 光电子学 数学 组合数学
作者
Arup Choudhury,T. Maitra
出处
期刊:Journal of Physics: Condensed Matter [IOP Publishing]
标识
DOI:10.1088/1361-648x/ad5261
摘要

Abstract Topological insulator, a novel quantum state of materials, has a lot of significance in the development of low-power electronic equipments as the conducting edge states display exceptional endurance against back-scattering. The absence of suitable materials with high fabrication feasibility and significant nontrivial bandgap, is now the biggest hurdle in their potential applications in devices. Here, we illustrate using first principles density functional calculations that the quintuplet layers of EuMg2Bi2 and YbMg2Bi2 crystals are potential two-dimensional topological insulators with a sizeable nontrivial gaps of 72 meV and 147 meV respectively. Dynamical stability of these quintuplet layers of EuMg2Bi2and YbMg2Bi2 is confirmed by our phonon calculations. The weakly coupled layered structure of parent compounds makes it possible for simple exfoliation from a three-dimensional structure. We observed gapless edge states inside the bulk band gap in both the systems which indicate their topological insulator nature. Further, we observed the anomalous and spin Hall conductivities to be quantized in two dimensional EuMg2Bi2 and YbMg2Bi2 respectively. Our findings predict two viable candidate materials as two dimensional quantum topological insulators which can be explored by future experimental investigations and possible applications of quantized spin and anomalous Hall conductance in spintronics.

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