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    欢乐升级怎样互相送豆:我国学者在隐藏自旋轨道耦合研究中取得重要进展

    日期 2019-03-14   来源:信息科学部   作者:孙玲 张丽佳 潘庆  【 】   【打印】   【关闭

    qq欢乐升级腾讯版官方下载 www.pvkpz.tw 图. 单层BaNiS2的晶体结构和能带结构。(a)单层BaNiS2的晶体结构以及外加电场示意图;(b)相应能带结构,(c,d,e)在X点附近的放大能带结构和其在对称性破缺外电场作用下的演化:(c)关闭自旋轨道相互作用和外电场情况下的能带图;(d)打开自旋轨道相互作用但关闭外电场情况下的能带图;(e)自旋轨道相互作用和外电场都打开的能带图。

      在国家自然科学基金项目(批准号:61888102)等资助下,中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室骆军委研究团队与科罗拉多大学Alex Zunger教授、南方科技大学刘奇航教授、深圳大学张秀文教授合作在隐藏自旋轨道耦合研究中取得重要进展。研究成果以“Uncovering and Tailoring Hidden Rashba Spin–orbit Splitting in Centrosymmetric Crystals”(揭示和裁剪中心对称晶体中的隐藏Rashba自旋劈裂)为题,于2019年2月22日发表在Nature Communications(《自然×通讯》)上。论文链接: https://www.nature.com/articles/s41467-019-08836-4#Ack1。

      自旋轨道耦合效应导致晶体能带自旋劈裂和自旋极化,是自旋晶体管、自旋轨道量子比特、自旋轨道扭矩、手性磁子学、冷原子系统、狄拉克材料、马约纳费米子、拓扑绝缘体和自旋霍尔效应等凝聚态热门研究领域的源头,其主要分为体反演不对称性引起的Dresselhaus效应和结构反演不对称性引起的Rashba效应。在硅等反演对称晶体中曾被公认不存在自旋轨道耦合效应,直到2014年上述合作研究团队在Nature Physics(《自然×物理》)上发表题为“Hidden Spin Polarization in Inversion-symmetric Bulk Crystals”(反演对称晶体中的隐藏自旋极化)的论文才打破该公认。以硅为例,他们发现晶体的空间反演对称性要求来自其中一个硅原子自旋向上态与来自另一个硅原子自旋向下态能量相等,导致能带自旋简并,从而隐藏了单个硅原子所具有的自旋轨道耦合效应。如果局域原子位群含有极化场,那么反演对称晶体具有隐藏Rashba效应(R-2),否则局域原子位群的反演不对称性导致反演对称晶体具有隐藏Dresselhaus效应(D-2)。

      然而,隐藏自旋轨道耦合效应的微观机制及其潜在应用尚未探明。针对这些关键问题,他们进一步研究了隐藏Rashba自旋轨道耦合效应。以BaNiS2为例的研究发现,反演对称晶体中存在某些对称性,可以有效遏制来自两个互成反演对称的原子单元电子态间的耦合,使电子态的波函数仅仅局域分布在其中的一个原子单元,感受到单个原子单元内的本征极化电场,产生的Rashba效应导致局域原子单元的能带具有自旋劈裂;反之,非局域化分布的电子态感受到其中一个原子单元的本征极化电场被来自另一个原子单元的相反本征极化电场所抵消,导致Rashba自旋轨道耦合效应趋向于零,相应能带不具有隐藏的自旋劈裂。由此,他们将隐藏Rashba效应和传统Rashba效应统一在同一理论框架下,建立了隐藏Rashba效应的哈密顿量模型,为探索其潜在应用提供了理论基础。通过揭示隐藏Rashba效应在对称性破缺外场作用下的演变,得知对称性破缺外场相对于原子单元的局域本征极化场是一个小的叠加作用,说明隐藏自旋轨道耦合效应可以被实验所测量。研究工作为隐藏自旋轨道耦合效应的实验探测,并探索其潜在应用提供了基础理论。




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