Plumbene, similar to silicene, has a buckled honeycomb structure with a large band gap ($\sim 400$ meV). All previous studies have shown that it is a normal insulator. Here, we perform first-principles calculations and employ a sixteen-band tight-binding model with nearest-neighbor and next-nearest-neighbor hopping terms to investigate electronic structures and topological properties of the plumbene monolayer. We find that it can become a topological insulator with a large bulk gap ($\sim 200$ meV) through electron doping, and the nontrivial state is very robust with respect to external strain. Plumbene can be an ideal candidate for realizing the quantum spin Hall effect at room temperature. By investigating effects of external electric and magnetic fields on electronic structures and transport properties of plumbene, we present two rich phase diagrams with and without electron doping, and propose a theoretical design for a four-state spin-valley filter.
Direct observation of decoupled Dirac states at the interface between topological and normal insulators
在拓扑绝缘体中的几种应用和奇异效应依赖于拓扑绝缘体和正常绝缘体之间界面处螺旋狄拉克态的存在。在本工作中，我们利用低能角分辨光电子能谱学对Si（111）衬底上生长的Bi $_2$ Se $_3$薄膜和Bi $_2$ Te $_3$ /Bi $_2$ Se $_3$异质结构的界面态进行了研究和表征。结果表明，狄拉克费米子确实存在于拓扑-正常-绝缘体边界，而不存在于拓扑-拓扑-绝缘体界面。此外，它表明，能带弯曲内存在的拓扑绝缘体膜导致的界面和表面态的能量的实质性分离。这些结果为进一步研究和实现拓扑绝缘体薄膜异质结构中的界面相关现象奠定了基础。
On the Emergence of Topologically Protected Boundary States in Topological/Normal Insulator Heterostructures
我们对拓扑/正常绝缘体（TI/NI）异质结构中拓扑保护边界态（TPBS）的形成进行了系统的研究。使用最近开发的计划，以构建{ \it ab-initio}紧束缚哈密顿矩阵从密度泛函理论（DFT）计算，我们研究了系统的实际尺寸与高精度和控制的相关参数，如TI和NI带对齐，NI间隙和自旋轨道耦合强度。我们的研究结果指出，存在一个NI临界厚度的出现TPBS和TI和NI之间的频带对齐的TPBS的外观的重要性。我们选择Bi $_{2}$ Se $_{3}$作为一个典型的情况下，拓扑/正常的绝缘体的行为是由具有/不具有自旋轨道耦合的区域建模。最后，我们验证了我们的方法比较我们的模型与完全相对论DFT计算的TI/NI异质结构的Bi $_{2}$ Se $_{3}$ /Sb $_{2}$ Se $_{3}$。
Spin-polarization of topological crystalline and normal insulator Pb$_{1-x}$Sn$_x$Se (111) epilayers probed by photoelectron spectroscopy
拓扑晶体绝缘体（TCI）表面的螺旋自旋织构使得这些材料在自旋电子学中的应用具有吸引力。本文利用角分辨光电子能谱（SR-ARPES）和自旋分辨光电子能谱（SR-ARPES）研究了（111）取向Pb $_{1-x}$ Sn $_x$ Se TCI外延膜的自旋极化和表面态电子结构。采用分子束外延（MBE）方法生长了不同Sn含量的高质量外延层。拓扑正常的绝缘体转变表现为带隙开放观察。结果表明，不仅可以通过改变外延层的Sn含量，而且还可以通过在其表面上沉积过渡金属（TM）来诱导间隙打开。在后一种情况下，所观察到的表面状态的缺口是由表面组成的变化，而不是由磁性。我们还表明，螺旋自旋极化不仅存在于拓扑组成的样品，但也为平凡的（具有开放的带隙）。所观察到的自旋极化达到30%的值的面内自旋分量，几乎不存在的面外的。我们相信，我们的工作将铺平道路的应用不仅拓扑，而且正常的铅锡硫族化合物的绝缘体的表面态的自旋电荷转换器件。
Lattice-matched heterojunctions between topological and normal insulators: A first-principles study
拓扑不同区域之间的界面处的无间隙边界模是拓扑在物理学中最显著的表现之一。时间反演不变拓扑绝缘体（TI）的金属边界态是凝聚态中拓扑有序的一种表现形式，不仅由于其基本性质，而且由于其重要的实际意义而引起人们的广泛兴趣。这些边界状态是免疫的背散射和本地化，由于它们的拓扑起源，从而打开了可能性，以定制它们的潜在用途在自旋电子学和量子计算。TI和正常绝缘体（NI）之间的异质结是探索这种拓扑保护的金属边界状态的代表性场所，预计将构成未来基于TI的电子和自旋电子固态器件的构建块。在这里，我们报告了两个实验实现的TI和NI之间的晶格匹配的异质结，Bi $_2$ Se $_3$（0001）/InP（111）和Bi $_2$ Te $_3$（0001）/BaF $_2$（111）的第一性原理研究。我们从多体微扰理论中的$GW$近似以及密度泛函理论来评估这些界面处的能带偏移。此外，我们调查的拓扑界面状态，表明在这些晶格匹配的异质界面，他们是严格本地化和他们的螺旋自旋纹理以及保存在面向真空的表面。这些结果加在一起可能有助于设计依赖于自旋螺旋金属边界状态的TI的设备。
Spin Seebeck effect and phonon energy transfer in heterostructures containing layers of a normal metal and a ferromagnetic insulator
在动力学方法的基础上的玻尔兹曼方程的声子分布函数的框架内，我们分析了声子在异质结构中的热传递包含一个层的正常金属（$ N $）和一个层的铁磁绝缘体（$ F $）。两个现实的方法，在这样的异质结中产生的温度梯度被认为是：通过加热的$N$层的电流和通过放置的$N/F$ -双层之间的大量的不同温度的双金属层。计算了$ N $ -层中的电子温度$ T_e $和$ F $ -层中的磁振子温度$ T_m $.这些温度的差异决定了塞贝克自旋效应机制中$ N $层上的电压$ V_{ISHE} $。将$ V_{ISHE} $对浴温和对$ N $和$ F $层厚度的依赖性与可用的实验数据进行比较。
Critical point for the strong field magnetoresistance of a normal conductor/perfect insulator/perfect conductor composite with a random columnar microstructure
Symmetry breaking transforms strong to normal correlation and false metals to true insulators
Renewable and Sustainable Energy Institute, University of Colorado（科罗拉多大学可再生与可持续能源研究所）；Department of Physics and Engineering Physics, Tulane University（杜兰大学物理与工程物理系）
