具有磁交换与自旋轨道相互作用的薄膜中结构分裂表面态自旋极化的空间特征

本文从理论上研究了面内磁交换场对贵金属和拓扑绝缘体中心对称薄膜能带结构的影响。基于第一性原理相对论性 $\mathbf{k}\cdot\mathbf{p}$ 理论,我们建立了一个最小有效模型,描述位于薄膜相对表面的两个耦合的 Rashba 或 Dirac 电子系统副本。该耦合在 $\bar{\Gamma}$ 处导致一个结构能隙,并在引入交换场时引起薄膜中自旋密度的奇特重新分布。我们将该模型应用于十九层 Au(111) 薄膜和五五层 Sb$_2$Te$_3$ 薄膜。我们证明,在每一个薄膜表面,交换场引起的能谱畸变类似于已知的 Rashba 或 Dirac 表面态,但由于耦合存在一个重要差异:在某些能量处,态的一个分支失去了具有反向群速度的对偶分支。这表明对于这些能量,通过薄膜内部在薄膜表面间的大角度电子散射占主导,甚至是唯一可能的。伴随对偶分支丧失而发生的自旋密度重新分布有利于这一散射通道。