观点：在手性晶体中发现自旋刺猬
2020-04-02
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Hugo Dil最近在手性碲晶体中观察到径向自旋织构可能导致对电子传输的更大控制。
APS / 艾伦·斯通布雷克
图1： 在镜像对称平面的任一侧旋转。像所有伪矢量一样，平行于平面的自旋在任一侧都相反（蓝色和红色箭头），但是垂直于平面的自旋保持不变（紫色箭头）。这个道具... 更多
许多现代技术都基于控制电子在材料中传输的方式。控制旋钮之一是电子自旋，它在自旋电子设备中使用。自旋对电子如何运动提供了额外的约束：要在状态之间传播，电子不仅必须具有正确的能量，而且还必须具有正确的自旋。确切地说，电子打开的方向取决于材料的自旋纹理-它的自旋在动量空间中的排列方式。如今，东京大学的坂野正人及其同事首次发现了具有刺猬图案的自旋纹理，可以防止电子沿着其路径向后散射，并且还可以抑制其他所有方向的散射[ 1]。该效应将极大地影响材料的电阻率，尤其是在磁场中，甚至可能会用于产生纯自旋电流。
Sakano及其同事观察到的自旋结构是一种特殊情况，其中与电子传输相关的所有自旋都指向远离或指向一个点。在这种径向自旋纹理下，禁止了本来可以在恒定能量表面上自由散射的电子掉头，并且电子在任何其他方向上散射的可能性也降低了，因为没有平行的自旋状态。研究人员在纯碲（Te）的手性晶体中观察到了这种自旋结构。手性晶体有两种镜像对称形式，Sakano 等人。他们发现晶体的惯性决定了径向旋转是向内指向还是向外指向。
晶体可以采用的自旋纹理范围受晶体的对称性以及每种对称性影响自旋的方式的限制。自旋是伪向量，这意味着在镜像操作下，它会发生反射，然后反转自旋方向（图1）。该特性的结果是，在具有镜平面的晶体中，如果平面平行，则在平面的任一侧上的自旋都将被翻转，而与平面垂直的自旋将保持不变。因此，靠近平面时，只能存在垂直于平面的旋转，因为平行于平面的旋转必定会降为零[ 2]。在非磁性系统中，可能的自旋织构也由更基本的时间反转对称性决定，该对称性与晶体结构无关，并指示当动量在相同能量下反转时，自旋反转。
时间反向对称性和反演对称性的组合产生了其他约束，这是通过点而不是平面的反射。特别是，具有这两种对称性的材料具有自旋简并能带，这意味着自旋仅对电子如何在不同能带之间移动施加了弱约束。为了消除这种简并性，从而通过自旋更严格地约束电子，必须打破反型对称性。尽管对于给定的方向，这种对称破坏可能发生在界面或整体上，但最终得到的自旋纹理却是相同的[ 3 ]。多数具有反转反转对称性破裂的晶体空间群仍具有镜面，产生具有非径向分量且围绕中心轴缠绕的自旋纹理[ 4]。如果反转对称破坏的方向可以逆转（例如在铁电体中可能），则会出现相反的自旋缠绕方向[ 5 ]。
从这些对称性考虑，很明显，要创建纯径向自旋纹理，晶体应缺乏反型对称性且没有镜面。手性晶体结构表现出这种不对称性，手性晶体结构的原子排列类似于螺旋形楼梯。几十年来，人们都知道纯Te会结晶成这种结构，但是理论上的进步和改进的实验技术只是在最近才揭示出了全部含义。
Sakano 等 ; 由APS / Alan Stonebraker改编
图2：在纯碲的手性晶体中观察到的径向自旋织构。旋转以右手形式（右）向外指向，以左手形式（左）向内指向。
所有缺乏反对称性的晶体都表现出增强的自旋轨道效应，并且由于其高原子序数，这种增强在Te中甚至更加明显。因此，材料本体带的自旋分裂足够大，可以使用角度分辨光发射光谱法（ARPES）直接分辨[ 6 ]。Sakano 等人进一步走了一步，并使用自旋和角度分辨光发射光谱（SARPES）[ 7 ] 。它们还能够测量与特定谱带相关的自旋方向，从而揭示了接近费米能级的谱带结构的自旋纹理。诸如光发射光谱之类的测量技术破坏了时间反转的对称性，产生的影响可能掩盖了材料固有的，结构确定的自旋纹理。通过考虑晶体结构的对称性，可以隔离这些测量伪像[ 8 ]。从右手的Te晶体获得的SARPES数据显示出清晰的刺猬状放射状自旋织构，自旋指向远离H点（布里渊区的一个角）（图2）。）。在左手晶体中，研究人员发现自旋方向反转，导致自旋纹理的拓扑反转，所有自旋指向H点。（在参考文献[ 1 ]中，研究小组使用了自旋磁矩，这与此处考虑的电子自旋相反。）纯径向自旋织构的测量以及其手性的反转都是首次，并再次显示电子自旋与晶体对称性之间的强耦合。
测得的自旋织构，它们对晶体的手感的依赖性以及布里渊区所有角具有相同自旋织构的观察结果对材料的电磁响应产生了深远的影响。各个自旋纹理类似于磁场的源或宿，因此使人联想到相互空间中的磁性单极子。当费米能级移动时（例如通过电荷掺杂），该径向自旋纹理在H点处缩小为奇点。然后，自旋同时指向所有方向，这等效于不再自旋极化。以这种方式从自旋极化状态变为自旋简并状态将放松对电子传输的自旋约束。9 ]。这些前景，尤其是它们的实验验证，将在很大程度上取决于Sakano 等人的发现。因此，他的工作标志着基于手性晶体的新型自旋电子学应用开发的重要一步。
这项研究发表在《物理评论快报》上。
