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半导体所在隐藏自旋轨道耦合研究中取得进展

2019-02-25

 

   在国家自然科学基金(项目编号: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组与科罗拉多大学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2019222日在Nature Communications上在线发表(DOI: 10.1038/s41467-019-08836-4)。

自旋轨道耦合效应是自旋晶体管、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、自旋霍尔效应和量子自旋霍尔效应等凝聚态热门研究领域中的核心物理。自旋轨道耦合效应导致能带自旋劈裂,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效应两类。在空间反演对称性和时间反演对称性的双重作用下,像硅这样的中心对称非磁晶体中,能带是自旋简并的,也就是在任何k点自旋向上的态必有一自旋向下的态与它能量相等,所以认为不存在自旋轨道耦合效应。这个公认直到2014年我们在Nature Physics上发表题为“Hidden spin polarization in inversion-symmetric bulk crystals”的论文后才被打破。金刚石结构的硅晶体由两个不等价硅原子组成,单个硅原子的局域位群和镓砷一样是Td群,如果只考虑其中的一个硅原子,那么得到的能带结构应该像镓砷一样具有自旋劈列,同样只考虑另一个硅原子也得到自旋劈列的能带,但两个不等价硅原子形成的空间反演对称又要求硅晶体能带自旋简并。我们发现这是由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满足了自旋简并的要求,所以晶体的空间反演对称性隐藏了局域原子的自旋轨道耦合效应。如果局域原子位群含有极化场,那么中心对称晶体具有隐藏Rashba效应(R-2),否则局域原子位群的反演不对称性导致中心对称晶体具有隐藏Dresselhaus效应(D-2)。这一理论发表后引起了广泛关注,被大量独立实验所验证,并启发了包括隐藏电流诱导自旋极化、隐藏轨道极化、隐藏本征圆极化、隐藏超导效应、隐藏偏压极化等诸多隐藏物理在内的发现,提出Rashba理论的Rashba教授也来信祝贺我们的隐藏自旋轨道耦合效应理论取得了成功。最近劳伦斯伯克利国家实验室Lanzara领导的研究组发现基于隐藏自旋轨道耦合效应的高温超导新机制,以“Revealing hidden spin-momentum locking in a high-temperature cuprate superconductor”为题的论文发表在1213日的《科学》杂志上。

 

   最近马里兰大学的Appelbaum教授对隐藏自旋轨道耦合效应提出了质疑。考虑到来自两个互成反演称的局域原子sector的电子态具有相同的对称性,一般会发生耦合,而不发生耦合是电子态的局域性和自旋方向可以同时确定的必要条件。一般只有当这两个sector在空间上相隔很远才能消除耦合,在这种情况下中心对称晶体和单个sector的自旋劈裂能谱完全相同,隐藏自旋轨道耦合效应毫无意义;如果发生耦合,虽然隐藏自旋轨道耦合效应引起的自旋极化在数学上是严格的,但是局域在单个sector的自旋极化不再是度规不变(Gauge invariant),而实验测量不可避免地会选择具体的晶体部位和机制,导致支持隐藏自旋极化概念的实验测量值得怀疑。我们的研究有力反驳了Appelbaum教授的质疑。我们发现存在晶体对称性,可以有效遏制布里渊区一些波矢方向上能带电子态的sector间耦合,而在其它方向上又允许该耦合,导致晶体的自旋劈裂能谱完全不同于单个sector的结果,这推翻了Appelbaum教授认为的非耦合情况下隐藏自旋轨道耦合效应毫无疑义的结论。我们进一步揭示在对称性破缺外场作用下从隐藏Rashba效应到传统Rashba效应的演变,发展了理论把传统Rashba效应和隐藏Rashba效应统一在同一理论框架下,由此建立的模型哈密顿量为探索隐藏Rashba效应探索的器件和应用提供了理论基础,我们同时揭示传统Rashba效应和隐藏Rashba效应具有相同的局域来源,对称性破缺外场可以和晶体本征极化场是叠加作用,这说明隐藏自旋轨道耦合效应是可以实验测量的。论文第一作者是博士生袁林丁,南方科技大学的刘奇航是共同第一作者。



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