華南師范大學物理學院教授鄧明勛/研究員王瑞強團隊與合作者，在拓撲自旋電子學領域取得重要進展：在非磁拓撲Dirac半金屬材料中發現了一種全新的自旋極化現象——非平衡隱藏自旋極化。相關成果9月5日在線發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。
隱藏自旋極化是指在中心對稱的材料中，由局域對稱性破缺引起的內稟自旋極化現象。雖然材料的全局自旋極化因空間反演對稱性而消失，但每個原子層或原子位置的自旋極化方向呈反平行排列，表現出局域化的自旋極化。這一現象在自旋電子學領域，特別是在新一代存儲器與量子計算器件的開發中，具有潛在的應用，近年來受到了廣泛的關注。
已有相關研究主要集中在PT對稱的反鐵磁材料中，對候選材料的對稱性要求非常嚴格。研究人員在國家自然科學基金、廣東省自然科學基金杰出青年基金等項目的資助下，拓展了該領域的研究，首次揭示了在通常的非磁性拓撲Dirac半金屬中，由外加電場（或電流）可以誘導出一種非平衡隱藏自旋極化，這種自旋極化存在于形成三維量子霍爾效應的外爾軌道中。
在拓撲Dirac半金屬中，三維量子霍爾效應是由兩套自旋相反、位置和動量空間分離的外爾軌道形成，由于PT對稱性整體上無自旋極化，即為隱藏自旋極化。盡管關于三維量子霍爾效應的研究有很多，但從未報道過這種自旋依賴的外爾軌道。
進一步研究發現，外爾軌道通過外場激發的隱藏自旋極化不僅隨樣品厚度變化展現出量子振蕩，還隨費米能級變化呈現出臺階狀的量子平臺。這一現象具有外爾軌道的非局域拓撲特性，并能通過電流誘導的非局域自旋軌道力矩進行探測與調控，可用于磁矩的非局域開關與翻轉。
該研究發現不僅提出了自旋依賴的三維霍爾效應新理論，還為在非磁材料中設計自旋電子器件提供了新思路，具有重要的應用前景。
相關論文信息：https://doi.org/10.1103/snby-9xsr