Mn 掺杂 I-II-V 族半导体的理论

近期发现的磁性半导体 Ba$_{1-x}$K$_{x}$(Zn$_{1-y}$Mn$_{y}$)$_2$As$_{2}$，由于其自旋与电荷掺杂解耦，为阐明稀磁半导体(DMS)中磁相互作用与磁有序的微观起源提供了独特的机会。我们证明，(i) 常规密度泛函理论能够准确描述该材料，且 (ii) 磁相互作用源于短程超交换作用与由巡游 As 空穴介导的长程自旋-自旋相互作用之间的竞争。后者可被视为高掺杂外推，其中 Schrieffer-Wolff $p-d$ 相互作用代表有效的 Hund 法则耦合 $J_{H}^{\text{eff}}$。经典双交换作用与 DMS 中实际相互作用的关键区别在于，有效的 $J_{H}^{\text{eff}}$ 不同于标准的 Hund 耦合 $J_{H}$，它取决于 Mn $d-$ 带相对于费米能级的位置，从而允许对磁相互作用进行调控。为这一透明系统揭示的物理图像可能也适用于更复杂的 DMS 系统。