近日，南方科技大学物理系与量子科学与工程研究院副教授刘奇航课题组、量子科学与工程研究院副研究员陈朝宇课题组联合理论与实验研究，在隐藏自旋极化这一研究领域取得进展。有关成果以“Observation of spin-momentum-layer locking in a centrosymmetric crystal”为题发表于期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

在掌握量子力学后，人们逐渐意识到磁性材料中的磁性来源于自旋极化这一概念，即未配对的自旋。而非磁材料中的自旋极化概念起源于1950-1960年Dresselhaus和Rashba的开创性的工作。他们的工作表明，自旋轨道耦合效应和空间反演对称性破缺的联合作用，可以诱导非磁材料发生自旋劈裂，并导致自旋极化；而空间反演对称的非磁材料则由于体系的高对称性，能带是二重简并的，自旋向上和向下的分量相互抵消。

2014年的一项研究发现，在大多数空间反演对称的非磁材料中，即便整体对称性不支持传统意义上的自旋极化现象，当自旋算符被投影在材料的反演对称破缺的一个“部分”时，依然会出现非零的自旋极化现象，这一现象也被称为“隐藏自旋极化”。随后的很多实验观测也证实了这一点。这一发现不仅仅是对自旋极化现象的重要修正，也为寻找适合自旋电子学应用的材料提供了更多的选项。

然而，即便隐藏自旋极化普遍存在于空间反演对称材料中，具有实际应用潜力的强自旋极化材料在空间反演对称材料中占比并不多。例如具有金刚石结构的硅和锗名义上具有Dresselhaus类型的隐藏自旋极化，但是由于空间反演破缺的子晶格之间具有较强的耦合作用，子晶格之间的波函数杂化较强，这抵消了单独子晶格上的隐藏自旋极化。于是，在隐藏自旋极化的发现之后，一个亟待解决的问题就是，用怎样的方法才能够找到具有强的隐藏自旋极化的体系。

刘奇航课题组之前的理论研究表明，通过引入一类特定的晶体对称性，即某些非点式对称性，可以在布里渊区边界处实现强隐藏自旋极化；而布里渊区中心处的隐藏自旋极化将不会受到这一对称性的增强。这是一种通过对称性诱导布里渊区种不同位置处产生不同自旋图案的方法。这项工作筛选出了支持这一效应的所有空间群，并预测出若干种满足这一效应的材料。

随后，刘奇航课题组联合陈朝宇课题组通过自旋角分辨光电子能谱仪，选取BiOI这一层状材料对上述理论进行实验验证。该材料具备非点式对称性（空间群为P4/nmm），满足早前工作所提出的对称性要求。研究团队通过自旋角分辨光电子能谱仪发现，布里渊区边界处存在很强的隐藏自旋极化，而布里渊区的中心处隐藏自旋极化几乎为零。这一发现与理论计算结果很好的吻合，验证了非点式空间群对称性对于隐藏自旋极化的调控作用。

图1 由实验与理论分别得到的布里渊区边界的隐藏自旋极化图案

除了证实了早先的理论工作外，该研究还发现了一类崭新的对称性诱导自旋-动量-晶层锁定（Spin-Momentum-Layer Locking）的现象，即量子材料中自旋、轨道及晶格的联合耦合方式。同时，这一研究亦弥补了全布里渊区的隐藏自旋极化测量的空白，可以对基于隐藏自旋极化的自旋器件设计产生启发。

广岛大学2018级博士研究生张科、南科大物理系2018级硕士研究生赵世轩，以及南科大量子科学与工程研究院2021级博士研究生郝占阳为论文共同第一作者。刘奇航、陈朝宇、广岛大学教授Kenya Shimada为共同通讯作者。合作者还包括南科大物理系助理教授梅佳伟、副教授刘畅与广岛大学教授Taichi Okuda等。

本课题的开展与完成得到了国家自然科学基金委员会、深圳高层次专项基金、广东创新创业团队项目、深圳市科技计划、广东省计算科学与新材料设计重点实验室等项目与部门的支持。

论文连接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.126402

供稿：量子科学与工程研究院

通讯员：刘芳璐

主图：丘妍

编辑：朱增光