Emerging Nontrivial Topology in Ultrathin Films of Rare-Earth Pnictides

布里渊区 凝聚态物理 单层 量子 材料科学 带隙 稀土 电子 拓扑绝缘体 物理 纳米技术 量子力学 冶金
作者
Dai Q. Ho,Ruiqi Hu,D. Quang To,Garnett W. Bryant,Anderson Janotti
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (21): 20991-20998 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c03307
摘要

Thin films of rare-earth monopnictide (RE-V) semimetals are expected to turn into semiconductors due to quantum confinement effects (QCE), lifting the overlap between electron pockets at Brillouin zone edges (X) and hole pockets at the zone center (Γ). Instead, using LaSb as an example, we find the emergence of the quantum spin Hall (QSH) insulator phase in (001)-oriented films as the thickness is reduced to 7, 5, or 3 monolayers (MLs). This is attributed to a strong QCE on the in-plane electron pockets and the lack of quantum confinement on the out-of-plane pocket projected onto the zone center, resulting in a band inversion. Spin-orbit coupling (SOC) opens a sizable nontrivial gap in the band structure of ultrathin films. Such effect is anticipated to be general in rare-earth monopnictides and may lead to interesting phenomena when coupled with the 4f magnetic moments present in other members of this family of materials.

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