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 電子具有電荷和自旋兩種內(nèi)稟屬性，但傳統(tǒng)的電子器件僅利用了電子的電荷屬性而忽略了自旋屬性。在過去的幾十年中，人們發(fā)現(xiàn)電子的自旋比電荷具有更優(yōu)越的性能，如退相干時(shí)間長、能耗低、運(yùn)行速度快等。因此，自旋有望成為新一代電子器件的載體，隨之興起的學(xué)科即自旋電子學(xué)，在自旋電子學(xué)中，自旋流的產(chǎn)生、調(diào)控和探測是基石和研究重點(diǎn)。一般來說，電場可以調(diào)控電荷但無法調(diào)控自旋，自旋的調(diào)控需要磁場，然而，人們對(duì)磁場的掌控不如對(duì)電場的掌控精細(xì)而且磁場沒有電場安全。正是自旋軌道耦合（spin-orbit coupling，SOC）的存在，使得電場調(diào)控電子的自旋成為可能。由于自旋軌道耦合的存在，通過電場調(diào)控電子的軌道運(yùn)動(dòng)即可調(diào)控電子的自旋，它是電控自旋的物理基礎(chǔ)。

自旋軌道耦合是一種相對(duì)論效應(yīng)。當(dāng)電子在電場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)相對(duì)論的洛倫茲變換，在電子的靜止參考系中，電子會(huì)感受到一個(gè)和電場以及電子運(yùn)動(dòng)有關(guān)的等效磁場。這個(gè)等效磁場和電子自旋的Zeeman相互作用將電子的自旋和軌道運(yùn)動(dòng)耦合在一起，即自旋軌道耦合。在各種自旋軌道耦合（SOC）中，Rashba自旋軌道耦合最受關(guān)注，因?yàn)槭褂猛怆妶稣{(diào)控Rashba自旋軌道耦合最為簡單。Rashba自旋軌道耦合通常來源于結(jié)構(gòu)反演不對(duì)稱性（structure inversion asymmetry，SIA）。除了SIA之外，在真實(shí)材料中還存在另外一種反演不對(duì)稱——體反演不對(duì)稱（bulk inversion asymmetry，BIA）。它起源于材料內(nèi)部的反演對(duì)稱性的破缺，它會(huì)誘導(dǎo)Dresselhaus型的自旋軌道耦合。在許多材料中，Rashba和Dresselhaus型的自旋軌道耦合都會(huì)存在且糾纏在一起，導(dǎo)致各向異性的自旋劈裂。這種自旋劈裂的各向異性會(huì)帶來許多有趣的物理現(xiàn)象。

利用自旋分辨的ARPES直接觀測到Rashba能帶劈裂最先是在Au(111)的Shockley表面態(tài)中實(shí)現(xiàn)的。隨后至今，已有許多材料體系被發(fā)現(xiàn)存在Rashba型的SOC。其中，BiTeI和GeTe由于具有巨大的Rashba自旋劈裂而備受關(guān)注。不過，在目前所有已知的具有Rashba SOC的材料中，自旋劈裂至多是二維的。雖然理論上不排除由反演對(duì)稱性破缺導(dǎo)致三維Rashba自旋劈裂的存在，但在某一個(gè)明確的材料體系中實(shí)現(xiàn)仍然是具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。在應(yīng)用方面，具有三維Rashba的材料可以實(shí)現(xiàn)一些新奇的功能，例如自旋流的三維調(diào)控。

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所納米事業(yè)部研究員何少龍帶領(lǐng)的研究組從2016年開始在寧波材料所研制先進(jìn)角分辨光電子能譜（ARPES），經(jīng)過兩年多的努力，該系統(tǒng)已經(jīng)開始正常運(yùn)作。研究組成員肖紹鑄和馮婭，利用角分辨光電子能譜及Spin-ARPES首次在PtBi2材料中發(fā)現(xiàn)三維Rashba型自旋劈裂。同時(shí)，利用ARPES結(jié)果結(jié)合第一性原理計(jì)算（吳賢新），從微觀電子結(jié)構(gòu)角度闡述了這個(gè)自旋劈裂的主要起源：即γ-PtBi2晶體結(jié)構(gòu)（空間群P31m）中心反演對(duì)稱性的破缺。特別的，這個(gè)巨大的自旋劈裂出現(xiàn)在布里淵區(qū)的M點(diǎn)而不是Rashba劈裂經(jīng)常出現(xiàn)的Γ點(diǎn)，這使得γ-PtBi2在相關(guān)材料中與眾不同，有非常重要的意義。M點(diǎn)點(diǎn)群對(duì)稱性的降低和體反演不對(duì)稱性（BIA）的存在使得Rashba SOC和Dresselhaus SOC同時(shí)存在，誘導(dǎo)一個(gè)巨大的各向異性的三維自旋劈裂。

此工作已發(fā)表在《自然-通訊》上（Nature Communications, 10, 4765 2019）。此工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2017YFA0303600，2016YFA0300600，2017YFA0302901）、國家自然科學(xué)基金（11674367，11227902，11927807，11774399）、浙江省自然科學(xué)基金（LZ18A040002）、寧波市2025重大專項(xiàng)（2018B10060）和寧波3315項(xiàng)目的支持。

圖1 在PtBi2布里淵區(qū)M點(diǎn)發(fā)現(xiàn)的Rashba型能帶劈裂

圖2 Rashba型劈裂的自旋結(jié)構(gòu)

圖3 Rashba劈裂的3D E(kx,ky) 能帶結(jié)構(gòu)

圖4 Rashba型能帶具有三維特性，它沿kz方向也有劈裂