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研究快讯 | 石墨烯-铁磁体界面处Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的起源：层内RKKY/BR相互作用

已有 4066 次阅读 2020-7-11 01:38 |系统分类:论文交流

原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 28 June 2020;

online 4 July 2020

EXPRESS LETTER

An Origin of Dzyaloshinskii–Moriya Interaction at Graphene-Ferromagnet Interfaces Due to the Intralayer RKKY/BR Interaction

Jin Yang (杨锦), Jian Li (李健), Liangzhong Lin (林亮中), and Jia-Ji Zhu (朱家骥)

Chin. Phys. Lett. 2020, 37 (8): 087501

文章亮点

提出了石墨烯-铁磁体界面处的DM相互作用可能源自石墨烯层内的RKKY和BR相互作用的贡献，石墨烯/钴界面DM相互作用的理论计算值与实验值符合。

石墨烯-铁磁体界面处Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的起源：层内RKKY/BR相互作用

研究背景

近年来自旋-轨道电子学的发展使手征自旋结构（例如斯格明子、畴壁动力学等）受到广泛地关注。这些新奇的物理现象可以应用在自旋电子存储器件和逻辑器件中，而这些应用又需要界面Dzyaloshinskii-Moriya (DM)相互作用的存在。DM相互作用是相邻磁矩之间的一种反对称交换耦合，存在于多种磁有序系统中。DM相互作用倾向于造成平行或反平行排列的磁矩的自旋倾斜，被认为是反铁磁体弱铁磁性的来源。通常DM相互作用存在于具有非中心对称的磁体以及铁磁体与金属之间的界面处。很早以前人们就认识到DM相互作用与自旋轨道耦合有关，也认识到三维合金中由于自旋轨道耦合的存在DM相互作用可能源于RKKY相互作用（被称为Levy-Fert模型）。然而，界面DM相互作用是如何形成的仍然有待澄清。一般认为界面DM相互作用是由界面处的原子轨道交叠与自旋轨道耦合造成的。2019年，Vedmedenko等人提出在铁磁-金属-铁磁结构中，层间的RKKY相互作用有可能造成界面DM相互作用，但是层内仍然是普通的海森堡型RKKY相互作用。

内容简介

最近，重庆邮电大学朱家骥教授研究组与合作者研究了石墨烯-铁磁体界面处的DM相互作用，提出由于结构反演不对称性，界面处存在较强的Rashba自旋轨道耦合，石墨烯上的载流子会在邻近铁磁体提供的局域磁矩之间中介各向异性的RKKY相互作用。石墨烯层内的RKKY相互作用由海森堡项、DM项和两个方向的伊辛项构成。该工作指出尽管该系统中不存在层间RKKY相互作用，但是层内的RKKY相互作用同样有可能造成界面DM相互作用。当石墨烯层内的载流子浓度趋于零时，RKKY相互作用退化为虚激发中介的Bloembergen–Rowland (BR)相互作用，BR相互作用具有和RKKY相互作用相同的自旋耦合项。作者计算了石墨烯/钴界面处由层内RKKY/BR相互作用所提供的DM相互作用的理论值（0.13 meV），并与实验值（0.16 ± 0.05 meV）比较，理论值与实验值符合。作者还比较了RKKY相互作用提供的DM项与BR相互作用提供的DM项，发现在钴原子最近邻距离下费米能几乎不影响DM相互作用的数值。该工作表明，层内的RKKY/BR相互作用是石墨烯-铁磁界面DM相互作用的物理起源，这一结论是对Levy-Fert模型的推广。原则上实验物理学家可以通过测量高解析的SPEELS谱从非对称自旋波谱中得到DM相互作用与并存的海森堡相互作用的大小，并将其比值与理论计算对比，从而在实验上验证这一结论。

研究意义

总之，澄清界面DM相互作用与自旋轨道耦合系统中的RKKY/BR相互作用的关系有助于人们更深刻地理解DM相互作用的物理本质，对自旋-轨道电子学也有潜在的意义。