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半導體所在隱藏自旋軌道耦合研究中取得進展

2019-02-25

 

   在國家自然科學基金(項目編號:61888102)等資助下,中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室駱軍委研究組與科羅拉多大學Alex Zunger教授、南方科技大學劉奇航教授、深圳大學張秀文教授合作在隱藏自旋軌道耦合研究中取得重要進展。研究成果以“Uncovering and tailoring hidden Rashba spin–orbit splitting in centrosymmetric crystals”(揭示和裁剪中心對稱晶體中的隱藏Rashba自旋劈裂)為題,于2019222日在Nature Communications上在線發表(DOI: 10.1038/s41467-019-08836-4)。

自旋軌道耦合效應是自旋晶體管、自旋軌道量子比特、自旋軌道扭矩、手性磁子學、冷原子系統、狄拉克材料、馬約納費米子、拓撲絕緣體、自旋霍爾效應和量子自旋霍爾效應等凝聚態熱門研究領域中的核心物理。自旋軌道耦合效應導致能帶自旋劈裂,主要分為體反演不對稱性引起的Dresselhaus效應和結構反演不對稱性引起的Rashba效應兩類。在空間反演對稱性和時間反演對稱性的雙重作用下,像硅這樣的中心對稱非磁晶體中,能帶是自旋簡并的,也就是在任何k點自旋向上的態必有一自旋向下的態與它能量相等,所以認為不存在自旋軌道耦合效應。這個公認直到2014年我們在Nature Physics上發表題為“Hidden spin polarization in inversion-symmetric bulk crystals”的論文后才被打破。金剛石結構的硅晶體由兩個不等價硅原子組成,單個硅原子的局域位群和鎵砷一樣是Td群,如果只考慮其中的一個硅原子,那么得到的能帶結構應該像鎵砷一樣具有自旋劈列,同樣只考慮另一個硅原子也得到自旋劈列的能帶,但兩個不等價硅原子形成的空間反演對稱又要求硅晶體能帶自旋簡并。我們發現這是由其中一個硅原子自旋向上態與來自另一個硅原子自旋向下態能量相等滿足了自旋簡并的要求,所以晶體的空間反演對稱性隱藏了局域原子的自旋軌道耦合效應。如果局域原子位群含有極化場,那么中心對稱晶體具有隱藏Rashba效應(R-2),否則局域原子位群的反演不對稱性導致中心對稱晶體具有隱藏Dresselhaus效應(D-2)。這一理論發表后引起了廣泛關注,被大量獨立實驗所驗證,并啟發了包括隱藏電流誘導自旋極化、隱藏軌道極化、隱藏本征圓極化、隱藏超導效應、隱藏偏壓極化等諸多隱藏物理在內的發現,提出Rashba理論的Rashba教授也來信祝賀我們的隱藏自旋軌道耦合效應理論取得了成功。最近勞倫斯伯克利國家實驗室Lanzara領導的研究組發現基于隱藏自旋軌道耦合效應的高溫超導新機制,以“Revealing hidden spin-momentum locking in a high-temperature cuprate superconductor”為題的論文發表在1213日的《科學》雜志上。

 

   最近馬里蘭大學的Appelbaum教授對隱藏自旋軌道耦合效應提出了質疑。考慮到來自兩個互成反演稱的局域原子sector的電子態具有相同的對稱性,一般會發生耦合,而不發生耦合是電子態的局域性和自旋方向可以同時確定的必要條件。一般只有當這兩個sector在空間上相隔很遠才能消除耦合,在這種情況下中心對稱晶體和單個sector的自旋劈裂能譜完全相同,隱藏自旋軌道耦合效應毫無意義;如果發生耦合,雖然隱藏自旋軌道耦合效應引起的自旋極化在數學上是嚴格的,但是局域在單個sector的自旋極化不再是度規不變(Gauge invariant),而實驗測量不可避免地會選擇具體的晶體部位和機制,導致支持隱藏自旋極化概念的實驗測量值得懷疑。我們的研究有力反駁了Appelbaum教授的質疑。我們發現存在晶體對稱性,可以有效遏制布里淵區一些波矢方向上能帶電子態的sector間耦合,而在其它方向上又允許該耦合,導致晶體的自旋劈裂能譜完全不同于單個sector的結果,這推翻了Appelbaum教授認為的非耦合情況下隱藏自旋軌道耦合效應毫無疑義的結論。我們進一步揭示在對稱性破缺外場作用下從隱藏Rashba效應到傳統Rashba效應的演變,發展了理論把傳統Rashba效應和隱藏Rashba效應統一在同一理論框架下,由此建立的模型哈密頓量為探索隱藏Rashba效應探索的器件和應用提供了理論基礎,我們同時揭示傳統Rashba效應和隱藏Rashba效應具有相同的局域來源,對稱性破缺外場可以和晶體本征極化場是疊加作用,這說明隱藏自旋軌道耦合效應是可以實驗測量的。論文第一作者是博士生袁林丁,南方科技大學的劉奇航是共同第一作者。



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