[Rasoul Ghadimi/Chiranjit Mondal 박사, 양범정 교수] 베리곡률이 없을 때 나타나는 양자 벨리 홀효과 발견 (Physical Review Letters 논문 게재)
“Quantum valley Hall effect without Berry curvature”
양자 벨리 홀 효과는 운동량 공간에 국소적으로 존재하는 베리 곡률에 의해 유도되는 독특한 위상학적 현상으로 몇몇 2차원 육각격자 구조 물질에서 관측이 되었다. 두 개의 벨리에 부호가 반대인 베리곡률의 존재로 인해 물질에 전기장을 걸어주면 양쪽 벨리에서 유도된 전자들이 반대 부호를 가지는 양자 홀 현상을 보이게 되고, 이는 구역벽을 따라 국소화된 1차원 금속 상태를 유도하게 된다. 본 연구에서는 기존에 베리곡률 이론에 국한되어 있던 양자 벨리 홀 현상을 베리 곡률이 없는 물질로 일반화하였다. 구체적으로는 물질이 시간 역전 대칭성과 공간 반전 대칭성의 곱으로 정의되는 시공간 반전대칭성을 가질 경우, 대칭성에 의해 베리 곡률은 운동량 공간의 모두 점에서 항상 0이 된다. 하지만 두 개의 에너지띠 사이에서 오일러 곡률은 존재할 수 있는데, 국소화된 오일러 곡률에 의한 새로운 양자 벨리 홀 효과가 나타날 수 있음을 이론적으로 규명하였다. 2차원 육각구조 물질 두 층을 시공간 대칭성이 있도록 쌓을 경우 베리곡률이 없는 상황에서도 오일러 곡률에 의해 구역벽을 따라 1차원 금속 상태가 유도됨을 보였다.
The quantum valley Hall effect (QVHE) is characterized by the valley Chern number (VCN) in a way that one-dimensional (1D) chiral metallic states are guaranteed to appear at the domain walls (DW) between two domains with opposite VCN for a given valley. Although in the case of QVHE, the total Berry curvature (BC) of the system is zero, the BC distributed locally around each valley makes the VCN well defined as long as intervalley scattering is negligible. Here, we propose a new type of valley-dependent topological phenomenon that occurs when the BC is strictly zero at each momentum. Such zero Berry curvature (ZBC) QVHE is characterized by the valley Euler number (VEN) which is computed by integrating the Euler curvature around a given valley in two-dimensional (2D) systems with space-time inversion symmetry. 1D helical metallic states can be topologically protected at the DW between two domains with the opposite VENs when the DW configuration preserves either the mirror symmetry with respect to the DW or the combination of the DW space-time inversion and chiral symmetries. We establish the fundamental origin of ZBC QVHE. Also, by combining tight-binding model study and first-principles calculations, we propose stacked hexagonal bilayer lattices including ℎ-BX (𝑋=As, P) and large-angle twisted bilayer graphenes as candidate systems with robust helical DW states protected by VEN.
Authors: Rasoul Ghadimi, Chiranjit Mondal, Sunje Kim, Bohm-Jung Yang
Publication date: 7 Nov 2024
Link: Phys. Rev. Lett. 133, 196603 (2024) - Quantum Valley Hall Effect without Berry Curvature (aps.org)