电子电荷和自旋自由度已被广泛应用于逻辑计算与信息存储器件领域，而有效操控电子的内禀自由度是新型自旋电子器件的核心和关键。二维过渡金属硫属化合物为代表的二维单原子层材料由于其具有独特的谷自由度和优异的物理性质，成为了新型谷电子学器件设计的优选体系。当前，谷电子学的最新进展主要集中于由内禀铁磁性所引起的具有自发谷极化的材料体系，称为铁谷材料，但对于铁谷与能带拓扑相结合、同时具有反常谷霍尔效应和量子反常霍尔效应的体系则稍有发现，这类奇异的谷对比物理和多霍尔效应在基础研究和器件设计中具有广泛的吸引力。因此目前研究的重点是寻找能够实现谷与拓扑结合、具有多霍尔效应的新型材料。
课题组基于密度泛函理论和紧束缚模型方法，成功设计了一种新型H相单层结构RuClBr。通过计算Berry曲率、陈数、反常霍尔电导以及在自旋轨道耦合作用下的手性边缘态，我们证明了具有高居里温度的单层RuClBr同时具有自发能谷极化现象和本征量子反常霍尔相，即量子反常谷霍尔效应相。特别重要的是，随着电子关联强度的改变，该体系可以在不同的量子态之间切换，包括铁谷态、半谷半导体和量子反常谷霍尔态。进一步的声子谱研究表明，单层RuClBr具有良好的动力学稳定性，易于在实验中制备。新型二维材料RuClBr不仅丰富了当前的量子反常霍尔材料体系，揭示了电子关联效应在二维材料中谷相关物理特性，而且为基于谷特性的多功能量子器件设计提供了一个新型平台。
此项工作是在泰山学者工程（ts20190939）、济南市科技局“新高校20”创新团队计划（2021GXRC043），以及国家自然科学基金（52173283）等资助下，由张昌文教授团队（第一作者为研究生孙浩同学）完成的。该成果于2022年5月9日以“Valley-dependent topological phase transition and quantum anomalous valley Hall effect in single-layer RuClBr”为题在国际物理领域著名期刊Phys. Rev. B, 105, 195112 (2022) 上发表。
论文链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.105.195112
