Особенности электронной структуры топологического изолятора Bi$_2$Se$_3$, дискретно легированного атомами $3d$-переходных металлов

Методом функционала плотности рассчитаны электронные и оптические спектры топологического изолятора Bi$_2$Se$_3$, селективно легированного атомами V, Cr, Mn, Fe и Co. Показано, что вставка магнитных атомов в отдельные дельта-слои (один на 2–9 пятислойников Bi$_2$Se$_3$) многократно усиливает магнитные эффекты. Наиболее подробно изучено легирование Mn, при котором реализуется ферромагнитное упорядочение спинов. Отмечена чувствительность спинового порядка к концентрации и расположению магнитных атомов. Изучение аналитической модели, где электроны Bi$_2$Se$_3$ резонансно рассеиваются на атомном слое переходного металла, также указывает на существование спин-поляризованных состояний в области щели Bi$_2$Se$_3$. Как показывают наши первопринципные расчеты, наличие конгруэнтных ветвей электронного спектра вблизи уровня Ферми приводит к особенностям оптической проводимости при $\hbar\omega\approx0.15{-}0.3\,$эВ, к появлению инфракрасного плазмона и к углу Керра $\theta _K>12^\circ$ в инфракрасной области спектра.