[論文レビュー] RKKY interaction in the topological phase of zigzag silicene nanoribbon

Moslem Zare, Fariborz Parhizgar+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2015

Graphene research and applications被引用数 28

ひとこと要約

本研究は、垂直方向の電場下におけるゾーンギャップを持つジgzagシリセンナノリブに存在する磁性不純物間のRKKY相互作用を調査する。スピン軌道結合およびエッジ状態により、ヘイゼンベルク項、ジャロシムスキー＝モリヤ項、イジング項を含む、調整可能でねじれたRKKY相互作用が誘導され、ゼロエネルギーのエッジ状態のおかげでトポロジカル絶縁体相において顕著に強化されることが明らかになった。

ABSTRACT

We study the Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interaction between two adatom magnetic impurities placed on zigzag silicene nanoribbon (ZSNR) in the presence of the out-of-plane electric field. We calculate the interaction mediated by the charge carriers of the pristine ZSNR at half filling. We show that the rotation of the spin of the itinerant electrons due to the exchange interaction causes a twisted RKKY interaction between localized spins which consists of the Heisenberg, Dzyaloshinsky-Moriya, and Ising interactions and explore the tunability of the RKKY interaction terms in respect with the perpendicular electric field. We numerically find that, due to the zero-energy edge state of ZSNR, the RKKY coupling is significantly enhanced when impurities are located on the zigzag edges. We also examine the RKKY interaction in different electric fields and explore that, in the topological insulator phase, the RKKY interaction is much greater than that when the system is in the band insulator region.

研究の動機と目的

• 垂直方向の電場がジgzagシリセンナノリブにおける磁性不純物間のRKKY相互作用をどのように調整するかを理解すること。
• トポロジカルエッジ状態がRKKY相互作用を媒介し、強化する役割を調査すること。
• スピン軌道結合と拡散電子スピンの回転の相乗作用が非自明なRKKY項を生成するメカニズムを分析すること。
• トポロジカル絶縁体相とバンド絶縁体相におけるRKKY結合強度を比較すること。
• 外部電場によるヘイゼンベルク項、ジャロシムスキー＝モリヤ項、イジング項の制御可能性を調査すること。

提案手法

• 半フィルインのジgzagシリセンナノリブの電子構造を記述するためにタイトバインディングモデルを用いる。
• 不純物スピンと拡散電子の結合をモデル化するため、スピン軌道結合および局所的交換相互作用を導入する。
• 純粋な系におけるキャリアが媒介するRKKY相互作用を計算するためにグリーン関数技術を用いる。
• 複数の結合項を有するねじれたRKKY相互作用を生じるスピン依存性散乱過程を分析する。
• 外部の垂直方向電場を適用してバンド構造を調整し、トポロジカル相転移を誘導する。
• 異なる不純物位置および電場強度におけるRKKY結合強度を評価するための数値計算を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 垂直方向電場は、ジgzagシリセンナノリブ上の磁性不純物間のRKKY相互作用にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ゼロエネルギーのエッジ状態は、トポロジカル相におけるRKKY結合強度の強化に果たす役割は何か？
• RQ3 ヘイゼンベルク項、ジャロシムスキー＝モリヤ項、イジング項のうち、どの成分が支配的であり、電場によってどのように調整されるか？
• RQ4 トポロジカル絶縁体相とバンド絶縁体相におけるRKKY結合強度の違いは何か？
• RQ5 ナノリブのどの位置（エッジ対ボトム）でRKKY結合が最大となり、その理由は何か？

主な発見

• 磁性不純物がジgzagエッジ上に配置されている場合、ゼロエネルギーのエッジ状態のおかげでRKKY相互作用が顕著に強化される。
• スピン軌道結合および拡散電子内のスピン回転の結果、ヘイゼンベルク項、ジャロシムスキー＝モリヤ項、イジング項を含むねじれたRKKY相互作用が生じる。
• 垂直方向電場により、RKKY相互作用項の相対的強度が調整可能であり、磁性結合の性質を制御可能となる。
• トポロジカル絶縁体相では、バンド絶縁体相よりもRKKY結合が顕著に大きく、トポロジカル保護の役割が顕著に現れる。
• 数値計算の結果、結合強度がエッジで最大となり、電場の大きさに強く依存することが確認された。
• 外部電場ゲーティングにより、調整可能で長距離にわたる磁性相互作用を実現可能である。