[論文レビュー] Long range dynamical coupling between magnetic adatoms mediated by a 2D topological insulator

Marcio Costa, Marco Buongiorno Nardelli+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2018

Topological Materials and Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、2次元位相的絶縁体の強固なスピン電流輸送に起因する、トポロジカル保護されたエッジ状態（TPES）を介した、Bi二重層ナノリボン上に存在する磁性鉄原子吸着種の長距離ダイナミカルスピン結合が実証された。強いスピン軌道相互作用があるにもかかわらず、TPESは8 nmを超える距離においてもスピンコherenceを維持し、テラヘルツ周波数のスピン励起と非指数的減衰をもたらす。これは非位相的系には見られない特徴である。

ABSTRACT

We study the spin excitation spectra and the dynamical exchange coupling between iron adatoms on a Bi bilayer nanoribbon. We show that the topological character of the edge states is preserved in the presence of the magnetic adatoms. Nevertheless, they couple significantly to the edge spin currents, as witnessed by the large and long-ranged dynamical coupling we obtain in our calcula- tions. The large effective magnetocrystalline anisotropy of the magnetic adatoms combined with the transport properties of the topologically protected edge states make this system a strong candidate for implementation of spintronics devices and quantum information and/or computation protocols.

研究の動機と目的

• 磁性原子吸着種が2次元位相的絶縁体（Bi二重層ナノリボン）の位相的エッジ状態とどのように相互作用するかを調査すること。
• 強いスピン軌道相互作用がある中でも、位相的保護が長距離にわたりスピンコherenceを維持するかを特定すること。
• トポロジカル保護エッジ状態が磁性原子吸着種間の長距離ダイナミカル交換結合をどのように媒介するかを調査すること。
• このようなハイブリッド系をスピントロニクスおよび量子情報技術への応用に利用可能かどうかを評価すること。
• トポロジカル系と非位相的Bi（スピン軌道相互作用を低減）の間で結合行動を比較し、TPESの役割を分離すること。

提案手法

• Bi二重層ナノリボンの電子状態および hopping パラメータを取得するために、ab initio 密度汎関数理論（DFT）を用いた。
• DFTの結果から得られた擬似原子軌道（PAO）射影を用いて、多軌道タイトバインディングハミルトニアンを構築した。
• Biにおける強いスピン軌道効果をモデル化するため、局所的原子近似を用いて有効なスピン軌道相互作用（SOC）を組み込んだ。
• 多体技法を用いて、Fe原子吸着種間のスピン励起スペクトルおよびダイナミカル交換結合を計算した。
• 孤立した原子および距離を変化させたペアの両方を、リボンのエッジおよび中心部の位置でシミュレートし、比較した。
• BiのSOC強度を0.8 eVに人工的に低減することで、非位相的参照系を構築し、TPESの役割を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁性原子吸着種の存在が、2次元位相的絶縁体のエッジ状態の位相的性質にどのように影響を与えるか。
• RQ2 トポロジカルエッジ状態を介したFe原子吸着種間のダイナミカル結合の性質と範囲は何か。
• RQ3 原子吸着種の相対的位置（エッジ対中心）が結合強度にどのように依存するか。
• RQ4 位相的保護が、遠く離れた磁性不純物間の長距離スピン電流輸送を可能にする役割は何か。
• RQ5 同一幾何学的配置および原子吸着種配置において、位相的系と非位相的Bi系の間で結合行動にどのような差が生じるか。

主な発見

• Fe原子吸着種が存在しても、エッジ状態の位相的性質が保持されており、位相的保護の強靭性が確認された。
• 原子吸着種がリボンのエッジ付近にある場合、距離が8 nmまでほぼ一定に近い減衰を示す長距離ダイナミカル結合が観測され、長距離にわたり損失が最小限に抑えられていることが示された。
• リボン中心部に配置された原子吸着種では、結合がゆっくりと非指数的減衰を示し、8 nmを超えてプラトー領域が観測された。これは非位相的系における指数的減衰とは顕著に異なる。
• BiのSOCを0.8 eVに低減した非位相的系では、原子吸着種の位置に関わらず結合が指数的に減衰した。これはTPESが長距離結合を可能にするために不可欠であることを証明した。
• Fe原子吸着種に大きな有効磁気異方性が存在し、テラヘルツ帯域のスピン励起周波数を示した。これは高速スピントロニクス応用に適している。
• トポロジカルエッジ状態は、強いスピン軌道相互作用がある中でも、ほぼ損失のないスピン電流伝導路として機能し、8 nmを超える距離でコherentlyなスピン輸送を可能にした。