[論文レビュー] Floquet Control of Indirect Exchange Interaction in Periodically Driven Two-Dimensional Electron Systems

Mahmoud M. Asmar, Wang-Kong Tse|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2020

Quantum and electron transport phenomena参考文献 75被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、2次元電子系（2DEG）におけるRuderman-Kittel-Kasuya-Yosida（RKKY）相互作用を円偏光光を用いたKeldysh-Floquet形式による周期的駆動によって制御する理論的枠組みを提案する。周期的駆動がRKKY相互作用に調整可能な振動を誘導することを示し、光の周波数および振幅によって制御可能である。さらに、反強磁性的結合を抑制し、強い駆動条件下では純粋に強磁性的相互作用を実現できることを示しており、2次元ヘテロ構造における光誘発スピン制御の新たな道筋を提供する。

ABSTRACT

We present a theory for the Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interaction mediated by a two-dimensional (2D) electron system subjected to periodic driving. This is demonstrated for a heterostructure consisting of two ferromagnets laterally sandwiching the 2D metallic spacer. Our calculations reveal new non-analytic features in the spin susceptibility. For weak light-matter coupling, the RKKY interaction shows oscillations with a period tunable by the light amplitude and frequency. For stronger light-matter coupling, the interaction becomes non-oscillatory and remains purely ferromagnetic.

研究の動機と目的

• 周期的駆動される2次元電子系における非平衡磁気的交換相互作用の理論的枠組みの構築を目的とする。
• 2次元電子系の時間周期的駆動が、横方向ヘテロ構造に存在する2つの強磁性層間のRKKY相互作用に与える影響を調査することを目的とする。
• 光強度および周波数が間接的交換相互作用の振動的および磁気的性質をどのように調整するかを明らかにすることを目的とする。
• 強い駆動が反強磁性的振動を抑制し、純粋に強磁性的結合を誘発できることを示し、絶縁体的挙動を模倣することを目的とする。
• 材料の厚さやドーピングに依存しない光学場を用いた2次元量子材料におけるスピン相互作用の制御メカニズムを提供することを目的とする。

提案手法

• Keldysh-Floquet形式を用いて、周期的駆動される2DEGにおける非平衡スピン感受率を記述する時間平均RKKY相互作用を定式化する。
• 連続的Floquetハミルトニアンのタイトバインディング正則化を用いて、円偏光光下の2DEGをモデル化し、物理的でない運動量依存性結合を排除する。
• 非平衡グリーン関数をFloquet表現で用い、フェルミ粒子バスタに結合して散乱を組み込むことで、スピン感受率χ(qx, 0)を導出する。
• Floquet-Bloch定理を用いて、時間周期的解を準エネルギー固有状態として表現し、フーリエ空間における駆動されたシュレーディンガー方程式の解法を可能にする。
• 光パラメータに依存する交換結合I(x)をスピン感受率および強磁性体のスピン射影から計算する。
• バスタ自己エネルギーに対して広帯域近似を適用し、円偏光光に対する三重対角Floquetハミルトニアンの厳密解を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元電子系の周期的駆動が、横方向ヘテロ構造に存在する2つの強磁性層間のRKKY相互作用にどのように影響を及ぼすか？
• RQ2 駆動光の周波数および振幅によって、RKKY相互作用の振動周期を調整可能か？
• RQ3 強い光物質結合下において、RKKY相互作用の磁気的性質（強磁性対反強磁性）はどのように変化するか？
• RQ4 光強度が増加するに従い、系が振動的から非振動的挙動へと遷移するか？
• RQ5 強い放射照射下において、金属的系であっても駆動された2DEGが純粋に強磁性的結合を媒介可能か？

主な発見

• 弱い光物質結合下では、RKKY相互作用が強磁性的および反強磁性的結合の間を周期的に振動し、その周期は光の周波数および振幅によって完全に調整可能である。
• 強い光物質結合下では、RKKY相互作用は非周期的となり、純粋に強磁性的であるようになり、平衡状態の絶縁体的挙動に類似する。
• スピン感受率χ(qx, 0)は、Floquet-Blochバンドの形成に起因する非解析的特徴を示し、これが光によって誘起される準エネルギー準位構造によって強く変化する。
• 振動的から非周期的挙動への遷移は、フェルミ面の再構築および準エネルギー準位構造に現れる光誘起ギャップの出現に起因する。
• 理論的枠組みは、連続モデルをタイトバインディングハミルトニアンへの射影によって正則化し、交換結合のカットオフ依存性を排除することに成功している。
• 結果は金属的および絶縁的強磁性体の両方に対して頑健であり、2DEGが光学的制御により調整可能な媒介体として機能することが示された。