[论文解读] 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 28

一句话总结

本研究探讨了在外加垂直电场作用下，锯齿形硅烯纳米带中磁性杂质之间的RKKY相互作用。结果表明，自旋-轨道耦合与边缘态诱导出一种可调谐的、具有扭曲特性的RKKY相互作用，其包含海森伯、兹亚洛晓夫-莫里亚和伊辛项，且在拓扑绝缘体相中由于零能边缘态的存在而显著增强。

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.

研究动机与目标

• 理解垂直电场如何调控锯齿形硅烯纳米带中磁性杂质之间的RKKY相互作用。
• 研究拓扑边缘态在介导和增强RKKY相互作用中的作用。
• 分析自旋-轨道耦合与巡游电子自旋旋转之间的相互作用，以生成非平凡的RKKY项。
• 比较拓扑绝缘体相与能带绝缘体相中RKKY耦合的强度。
• 探索通过外部电场调控海森伯、兹亚洛晓夫-莫里亚和伊辛相互作用的可调性。

提出的方法

• 采用紧束缚模型描述半满填充时锯齿形硅烯纳米带的电子结构。
• 引入自旋-轨道耦合和局域交换相互作用，以模拟杂质自旋与巡游电子之间的耦合。
• 利用格林函数技术计算由本征系统中载流子介导的RKKY相互作用。
• 分析导致具有多重耦合项的扭曲RKKY相互作用的自旋依赖性散射过程。
• 施加外部垂直电场以调控能带结构并诱导拓扑相变。
• 进行数值计算，评估不同杂质位置和电场强度下的RKKY耦合强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 垂直电场如何影响锯齿形硅烯纳米带中磁性杂质之间的RKKY相互作用？
• RQ2 零能边缘态在拓扑相中增强RKKY耦合的作用是什么？
• RQ3 在RKKY相互作用中，哪些分量（海森伯、兹亚洛晓夫-莫里亚、伊辛）占主导地位，且如何被电场调控？
• RQ4 RKKY耦合强度在拓扑绝缘体相与能带绝缘体相之间如何比较？
• RQ5 在纳米带的何处（边缘与体相）RKKY耦合达到最大值，原因是什么？

主要发现

• 当磁性杂质位于锯齿形边缘时，由于零能边缘态的存在，RKKY相互作用显著增强。
• 由于自旋-轨道耦合和巡游电子中的自旋旋转，RKKY相互作用表现出扭曲特性，包含海森伯、兹亚洛晓夫-莫里亚和伊辛项。
• 垂直电场可调节RKKY相互作用各项的相对强度，从而实现对磁性耦合性质的调控。
• 在拓扑绝缘体相中，RKKY耦合远强于能带绝缘体相，凸显了拓扑保护的作用。
• 数值结果证实，耦合强度在边缘处最大，且强烈依赖于电场大小。
• 该系统支持可调谐的长程磁相互作用，可通过外部电场栅压实现工程化调控。