交换张量、广义RKKY相互作用与铁磁体-拓扑绝缘体异质结构中的磁化动力学
介观与纳米尺度物理
2026-01-13 v2
摘要
我们对由铁磁(FM)层与三维拓扑绝缘体(TI)层面接触组成的磁性异质结构进行了全面的理论分析。通过对拓扑表面态进行积分并对自旋进行二次展开，我们推导了由拓扑表面态中性子化学势所中介的有效的广义鲁德曼-基特拉-卡苏亚-约瑟夫斯(RKKY)交换相互作用。这些相互作用本质上包含了自旋动量锁定效应以及源自TI表面电子达尔文型能带的各向异性自旋响应。分析结果表明，TI固有自旋轨道耦合与FM层的磁化之间的相互作用会诱导出高度非局域、延迟的、手性的和德里亚什inskii-Moriya(DM)样相互作用，进而贡献于有效自旋哈密顿量。此外，我们通过推导LLG方程来研究自旋动力学。所诱导的相互作用会重整FM的许多固有属性，但LLG方程中引入了一个与磁化旋度变化率相关的新项，这与天空子动力学相关。磁子色散显示由于TI中介的相互作用，包括软化的惯性自旋波模式和可调谐的磁子间隙，这些间隙对可调的化学势和界面交换耦合强度敏感。结果同样适用于有限温度条件。它们阐明了拓扑引起的磁现象，为在TI-FM混合系统中工程化奇异自旋纹理(如天空子和手性域壁)提供了可能性，其中的相互作用可被调节。
引用
@article{arxiv.2509.03572,
title = {Exchange tensors, generalized RKKY interactions, and magnetization dynamics in heterostructures of ferromagnets and topological insulators},
author = {Christian Svingen Johnsen and Asle Sudbø},
journal= {arXiv preprint arXiv:2509.03572},
year = {2026}
}
备注
19 pages, 2 figures. 2nd version: corrected typos, highlighted new contributions, and added references