原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 23 June 2020; 

online 21 July 2020

文章从单轨道紧束缚模型出发，提出了一种受到非点式对称性保护的强隐藏自旋极化效应。这为寻找具有潜在自旋电子学应用价值的隐藏自旋极化材料指明了方向，也为调控隐藏自旋极化以及相关量子效应提供了新的思路。

非点式空间群保护下的隐藏自旋极化。（a）空间群为p4/nmm的具有非点式空间群的二维结构。（b）基于紧束缚模型的能带，其中X-M为布里渊区边界。（c）一种候选材料LuIO的晶体结构。（d）投影到A、B子晶格的隐藏自旋极化，注意相比于布里渊区中心，布里渊区边界M点附近的隐藏自旋值较大，受到了非点式空间群的保护。

历史上，非磁材料的能带自旋劈裂与自旋极化概念起源于1950-1960年Dresselhaus和Rashba的开创性工作。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；而中心反演对称的非磁材料则由于PT对称性保护，能带是二重简并的。

但是2014年的研究发现，在大多数中心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中心反演对称性破缺的一个“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”。这种投影并不依赖于二重简并能带波函数的任意线性组合，因此是度规不变的可观测量，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，锗和锡名义上具有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，我们用怎样的方法才能够找到具有强的隐藏自旋极化的体系。

近日，南方科技大学的刘奇航副教授带领的研究团队通过紧束缚模型分析以及第一性原理计算的方法，提出了一种受到非点式对称性保护的强隐藏自旋极化效应。紧束缚模型分析表明，非点式对称性能够杜绝子布里渊区边界处不同子晶格之间的跃迁。这一效应不依赖于子晶格之间的耦合强度，因此即便子晶格之间距离很近，强隐藏自旋极化仍然可以存在于布里渊区边界。

同时此研究筛选出17个能够支持这一效应的准二维空间群，从现有二维材料数据库中搜索出一系列具有相应对称性的准二维材料，并且用第一性原理计算的方法从中筛选了一种代表性的稀土元素化合物LnIO (Ln = Pr, Nd, Ho, Tm, 和Lu)，可作为实现隐藏自旋极化的理想材料。对于这类材料，第一性原理计算下的能带与隐藏自旋极化图案与单轨道紧束缚模型吻合的很好。

此研究为寻找具有潜在自旋电子学应用价值的隐藏自旋极化材料指明了方向。同时隐藏自旋极化系统或可以提供一个调节子晶格之间杂化的平台。通过加应力等方式，我们可以对杂化能隙进行调控，从而可以实现更多包括拓扑超导在内的新奇物理效应。

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