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宁波材料所在Rashba材料方面取得新进展
作者:,日期:2019-10-28

  电子具有电荷和自旋两种内禀属性,但传统的电子器件仅利用了电子的电荷属性而忽略了自旋属性。在过去的几十年中,人们发现电子的自旋比电荷具有更优越的性能,如退相干时间长、能耗低、运行速度快等。因此,自旋有望成为新一代电子器件的载体,随之兴起的学科即自旋电子学,在自旋电子学中,自旋流的产生、调控和探测是基石和研究重点。一般来说,电场可以调控电荷但无法调控自旋,自旋的调控需要磁场,然而,人们对磁场的掌控不如对电场的掌控精细而且磁场没有电场安全。正是自旋轨道耦合(spin-orbit coupling,SOC)的存在,使得电场调控电子的自旋成为可能。由于自旋轨道耦合的存在,通过电场调控电子的轨道运动即可调控电子的自旋,它是电控自旋的物理基础。

  自旋轨道耦合是一种相对论效应。当电子在电场中运动时,根据相对论的洛伦兹变换,在电子的静止参考系中,电子会感受到一个和电场以及电子运动有关的等效磁场。这个等效磁场和电子自旋的Zeeman相互作用将电子的自旋和轨道运动耦合在一起,即自旋轨道耦合。在各种自旋轨道耦合(SOC)中,Rashba自旋轨道耦合最受关注,因为使用外电场调控Rashba自旋轨道耦合最为简单。Rashba自旋轨道耦合通常来源于结构反演不对称性(structure inversion asymmetry,SIA)。除了SIA之外,在真实材料中还存在另外一种反演不对称——体反演不对称(bulk inversion asymmetry,BIA)。它起源于材料内部的反演对称性的破缺,它会诱导Dresselhaus型的自旋轨道耦合。在许多材料中,Rashba和Dresselhaus型的自旋轨道耦合都会存在且纠缠在一起,导致各向异性的自旋劈裂。这种自旋劈裂的各向异性会带来许多有趣的物理现象。

  利用自旋分辨的ARPES直接观测到Rashba能带劈裂最先是在Au(111)的Shockley表面态中实现的。随后至今,已有许多材料体系被发现存在Rashba型的SOC。其中,BiTeI和GeTe由于具有巨大的Rashba自旋劈裂而备受关注。不过,在目前所有已知的具有Rashba SOC的材料中,自旋劈裂至多是二维的。虽然理论上不排除由反演对称性破缺导致三维Rashba自旋劈裂的存在,但在某一个明确的材料体系中实现仍然是具有挑战性的任务。在应用方面,具有三维Rashba的材料可以实现一些新奇的功能,例如自旋流的三维调控。

  中国科学院宁波材料技术与工程研究所纳米事业部何少龙研究员带领的研究组从2016年开始在宁波材料所研制先进角分辨光电子能谱(ARPES),经过两年多的努力,该系统已经开始正常运作。研究组成员肖绍铸博士和冯娅博士,利用角分辨光电子能谱及Spin-ARPES首次在PtBi2材料中发现三维Rashba型自旋劈裂。同时,利用ARPES结果结合第一性原理计算(吴贤新博士),从微观电子结构角度阐述了这个自旋劈裂的主要起源:即γ-PtBi2晶体结构(空间群P31m)中心反演对称性的破缺。特别的,这个巨大的自旋劈裂出现在布里渊区的M点而不是Rashba劈裂经常出现的Γ点,这使得γ-PtBi2在相关材料中与众不同,有非常重要的意义。M点点群对称性的降低和体反演不对称性(BIA)的存在使得Rashba SOC和Dresselhaus SOC同时存在,诱导一个巨大的各向异性的三维自旋劈裂。

  此工作已发表在Nature Communications上(Nature Communications,10, 4765 2019. https://www.nature.com/articles/s41467-019-12805-2)。此工作得到国家重点研发项目(2017YFA0303600,2016YFA0300600,2017YFA0302901)、国家自然科学基金(11674367,11227902,11927807,11774399)、浙江省自然科学基金(LZ18A040002)、宁波市2025重大专项(2018B10060)和宁波3315项目的支持。

图1 在PtBi2布里渊区M点发现的Rashba型能带劈裂

  

图2 Rashba型劈裂的自旋结构

图3 Rashba劈裂的3D E(kx,ky) 能带结构

图4 Rashba型能带具有三维特性,它沿kz方向也有劈裂

  (纳米事业部 肖绍铸 冯娅)

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