[论文解读] 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 16

一句话总结

本文提出了一套理论框架，通过圆偏振光驱动，利用Keldysh-Floquet形式化方法调控二维电子气（2DEG）中的Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida（RKKY）相互作用。研究表明，周期性驱动可诱导RKKY相互作用产生可调谐振荡——其特性可通过光的频率和振幅进行调控——甚至能抑制反铁磁耦合，在强驱动下实现纯铁磁相互作用，为二维异质结构中光致自旋调控提供了新途径。

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.

研究动机与目标

• 开发一种用于周期性驱动的二维电子系统中非平衡磁交换相互作用的理论框架。
• 研究二维电子气（2DEG）的时间周期性驱动如何改变横向异质结构中两个铁磁层之间的RKKY相互作用。
• 探讨光强与频率在调控间接交换相互作用的振荡特性与磁性特征中的作用。
• 证明强驱动可抑制反铁磁振荡并诱导纯铁磁耦合，从而模拟绝缘体的行为。
• 提供一种通过光学场控制二维量子材料中自旋相互作用的机制，且该机制与材料厚度或掺杂无关。

提出的方法

• 利用Keldysh-Floquet形式化方法，推导时间平均的RKKY相互作用，以描述周期性驱动下2DEG中的非平衡自旋磁化率。
• 通过连续Floquet哈密顿量的紧束缚规整化方法，对受圆偏振光作用的2DEG进行建模，以消除非物理的动量依赖耦合。
• 从Floquet表象中的非平衡格林函数推导出自旋磁化率χ(qx, 0)，并通过与费米子浴的耦合引入耗散效应。
• 利用Floquet-Bloch定理，将时间周期性解表示为准能量本征态，从而在傅里叶域中求解驱动的薛定谔方程。
• 通过自旋磁化率与铁磁体自旋投影的乘积计算交换耦合I(x)，其依赖于光参数。
• 对浴的自能采用宽频带近似，并利用圆偏振光下三对角Floquet哈密顿量的精确解。

实验结果

研究问题

• RQ1 周期性驱动如何改变横向异质结构中两个铁磁层之间2DEG的RKKY相互作用？
• RQ2 能否通过驱动光的频率和振幅调节RKKY相互作用的振荡周期？
• RQ3 在强光-物质耦合条件下，RKKY相互作用的磁性特征（铁磁性与反铁磁性）会发生什么变化？
• RQ4 随着光强增加，系统是否会从振荡行为转变为非振荡行为？
• RQ5 在强辐照下，驱动的2DEG是否能在金属体系中实现纯铁磁耦合？

主要发现

• 在弱光-物质耦合下，RKKY相互作用在铁磁与反铁磁耦合之间表现出可完全由光频率和振幅调控的振荡行为。
• 在强光-物质耦合下，RKKY相互作用变为非振荡且保持纯铁磁性，其行为类似于平衡态下的绝缘体系统。
• 自旋磁化率χ(qx, 0)表现出非解析特征，这是由于Floquet-Bloch能带的形成所致，且其行为强烈受光诱导准能量谱的影响。
• 从振荡到非振荡行为的转变，源于费米面的重构成型以及准能量谱中光诱导能隙的出现。
• 该理论框架通过将连续模型投影到紧束缚哈密顿量，成功实现了模型的规整化，确保了交换耦合的截断无关性。
• 结果对金属与绝缘体铁磁体均具有鲁棒性，2DEG作为可通过光控调节的可调中介，具有广泛适用性。