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，人們對磁場的掌控不如對電場的掌控精細(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論效應(yīng)。當(dāng)電子在電場中運(yùn)動時，根據(jù)相對論的洛倫茲變換，在電子的靜止參考系中，電子會感受到一個和電場以及電子運(yùn)動有關(guān)的等效磁場。這個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，因為使用外電場調(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稱——體反演不對稱（bulk inversion asymmetry，BIA）。它起源于材料內(nèi)部的反演對稱性的破缺，它會誘導(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稱性破缺導(dǎo)致三維Rashba自旋劈裂的存在，但在某一個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，利用ARPES結(jié)果結(jié)合第一性原理計算（吳賢新），從微觀電子結(jié)構(gòu)角度闡述了這個自旋劈裂的主要起源：即γ-PtBi₂晶體結(jié)構(gòu)（空間群P31m）中心反演對稱性的破缺。特別的，這個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)群對稱性的降低和體反演不對稱性（BIA）的存在使得Rashba SOC和Dresselhaus SOC同時存在，誘導(dǎo)一個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（2018B10060）和寧波3315項目的支持。 

　　論文鏈接 

　　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(k_x,k_y) 能帶結(jié)構(gòu) 

　　圖4 Rashba型能帶具有三維特性，它沿k_z方向也有劈裂