拓扑绝缘体表面的铁磁性与玻璃态

我们研究了随机沉积在拓扑绝缘体表面的磁性吸附原子之间的有序性本质。将自己限制在稀杂质和弱耦合（巡游费米子与磁性杂质之间）极限，我们表明，当杂质吸附原子的磁矩各向同性时，对于偏离表面狄拉克锥顶点的任意化学掺杂量，磁性杂质倾向于以自旋密度波图案排列，其周期约为 $\pi/k_F$，其中 $k_F$ 为费米波矢。然而，当磁矩具有强伊辛或易轴各向异性时，通过解析和数值方法我们表明，对于低到中等化学掺杂，基态是铁磁性的，尽管系统碎裂为多个铁磁岛。对于同样远离狄拉克点的高掺杂，系统似乎也碎裂为许多铁磁岛，但这些岛中的磁化强度随机分布。这种具有净零磁化的磁有序在此被称为铁磁自旋玻璃，它通过一级相变与纯铁磁态分离。我们将分析推广到立方拓扑绝缘体（表面支持三个狄拉克锥），并证明磁有序的性质及其间的转变在定性上保持不变。我们还讨论了我们的分析与近期实验的可能关联。