手性晶體中電流誘導自旋磁化的對稱性要求：多極分析和隱藏的自旋滑移對稱性

Kernekoncepter

手性晶體中的電流誘導自旋磁化需要同時滿足手性特有的多極度自由度和打破自旋滑移對稱性的跳躍項。

Resumé

本文微觀分析了手性晶體中電流誘導自旋磁化(CISM)的必要條件。

首先,作者使用多極理論分析了手性晶體的緊束縛模型,發現手性特有的電四極矩G0是CISM的必要條件。然而,僅有G0並不足以保證CISM的出現。

作者進一步發現,除了G0,沿z軸的跳躍項H∥也是CISM的必要條件。這是因為H∥打破了波矢平移和自旋翻轉的組合對稱性,即所謂的自旋滑移對稱性。這表明,與手性無關的跳躍項也可能在手性引起的物理性質中起關鍵作用,而這並不矛盾多極理論的框架。

數值計算結果也證實了這一點。即使Hamiltonian包含手性特有的多極度自由度G0,如果存在自旋滑移對稱性,CISM仍會消失。因此,多極理論只能給出CISM的必要條件,而無法預測其是否真的出現。

Statistik

沿z軸的跳躍積分t∥與手性自旋軌道耦合λ成正比,是CISM響應係數的主導項。
僅包含手性自旋軌道耦合HSOC的模型,由於存在自旋滑移對稱性,CISM響應係數為零。

Citater

手性晶體中的電流誘導自旋磁化需要同時滿足手性特有的多極度自由度和打破自旋滑移對稱性的跳躍項。
手性特有的多極度自由度G0是CISM的必要條件,但並不足以保證CISM的出現。

Vigtigste indsigter udtrukket fra

Symmetry requirements for current-induced spin magnetization specific to chiral crystals: Multipole analysis and the hidden spin glide symmetry

by Ryosuke Hira... kl. arxiv.org 10-01-2024

https://arxiv.org/pdf/2409.19317.pdf

Dybere Forespørgsler

如何在實驗中設計和觀測打破自旋滑移對稱性的系統,以實現手性晶體中的CISM?

在實驗中設計和觀測打破自旋滑移對稱性的系統以實現手性晶體中的CISM，可以考慮以下幾個步驟：

選擇合適的手性晶體材料：首先，選擇具有明顯手性特徵的晶體材料，例如某些有機分子或無機晶體（如CrNb3S6）。這些材料應該具備強烈的自旋-軌道耦合（SOC）效應，以促進自旋極化的產生。

設計晶體結構：利用計算模擬（如密度泛函理論）來設計具有特定晶體結構的樣品，確保其在z方向的跳躍（hopping）能夠打破自旋滑移對稱性。這可以通過調整晶體的層間距或引入缺陷來實現。

施加外部電場：在實驗中施加外部電場以驅動電流，並觀察由此產生的自旋磁化。這可以通過使用微波或光學激發來實現，從而引起電子的運動。

測量自旋磁化：使用自旋極化探測技術（如自旋極化電子能譜或自旋霍爾效應）來測量由電流引起的自旋磁化。這些技術能夠提供關於自旋極化的直接證據，並幫助確認CISM的存在。

分析數據：通過數據分析，檢查自旋磁化的方向和強度，並與理論預測進行比較，以驗證自旋滑移對稱性的破壞是否成功。

除了CISM,自旋滑移對稱性還會對哪些手性相關的物理性質產生影響?

自旋滑移對稱性對手性相關的物理性質產生影響的範疇相當廣泛，主要包括：

手性光學活性：手性材料在光學上表現出不同的旋光性，這與自旋滑移對稱性有關。當光通過手性材料時，光的偏振狀態會受到影響，導致旋光效應的產生。

自旋選擇性傳導：在手性材料中，自旋滑移對稱性的破壞可能導致自旋選擇性傳導現象，即不同自旋的電子在材料中以不同的速率移動，這對於自旋電子學應用至關重要。

自旋-電流耦合效應：自旋滑移對稱性的存在或缺失會影響自旋-電流耦合效應，這可能導致自旋流的生成或消失，進而影響自旋注入和自旋檢測的效率。

磁性相變：在某些手性系統中，自旋滑移對稱性的破壞可能導致磁性相變的出現，這會影響材料的磁性行為和相變特性。

在其他類型的手性系統中,是否也存在類似的隱藏對稱性,需要考慮才能正確描述手性引起的物理效應?

在其他類型的手性系統中，確實存在類似的隱藏對稱性，這些對稱性需要考慮以正確描述手性引起的物理效應。以下是幾個例子：

手性有機分子：在手性有機分子中，分子的幾何結構和電子分佈可能導致隱藏的對稱性，這會影響其光學性質和反應性。這些隱藏對稱性可能會影響分子的光學活性和自旋選擇性。

拓撲絕緣體：在拓撲絕緣體中，手性邊界態的存在與隱藏的對稱性有關。這些對稱性影響邊界態的自旋極化和導電性，從而影響材料的電子性質。

自旋液體系統：在自旋液體系統中，隱藏的對稱性可能導致自旋的非平衡態，這會影響自旋的動力學行為和相互作用，進而影響材料的磁性和熱性質。

手性納米結構：在手性納米結構中，隱藏的對稱性可能影響其自旋動力學和光學性質，這對於設計新型自旋電子學器件至關重要。

總之，隱藏對稱性在手性系統中扮演著重要角色，理解這些對稱性對於正確描述手性引起的物理效應至關重要。