[論文レビュー] Surface orbitronics: new twists from orbital Rashba physics

Dongwook Go, Jan-Philipp Hanke+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2016

Topological Materials and PhenomenaPhysics and Astronomy参考文献 39被引用数 22

ひとこと要約

本論文は、BiAg₂ などの表面合金におけるスピン軌道結合に依存しない、sp軌道混合と表面ポテンシャル勾配によって駆動される軌道ラシュバ効果（ORE）のメカニズムを提案する。これによりキラルな軌道テクスチャーと電気分極が生じる。第一原理計算により、ベリー位相理論がバンドギャップ付近で軌道磁化を顕著に増幅することを示し、表面オルビトロニクスに不可欠な巨大軌道効果を実現可能とする。

ABSTRACT

When the inversion symmetry is broken at a surface, spin-orbit interaction gives rise to spin-dependent energy shifts - a phenomenon which is known as the spin Rashba effect. Recently, it has been recognized that an orbital counterpart of the spin Rashba effect - the orbital Rashba effect - can be realized at surfaces even without spin- orbit coupling. Here, we propose a mechanism for the orbital Rashba effect based on sp orbital hybridization, which ultimately leads to the electric polarization of surface states. As a proof of principle, we show from first principles that this effect leads to chiral orbital textures in $\mathbf{k}$-space of the BiAg$_2$ monolayer. In predicting the magnitude of the orbital moment arising from the orbital Rashba effect, we demonstrate the crucial role that the Berry phase theory plays for the magnitude and variation of the orbital textures. As a result, we predict a pronounced manifestation of various orbital effects at surfaces, and proclaim the orbital Rashba effect to be a key platform for surface orbitronics.

研究の動機と目的

• スピン軌道結合に依存しない表面系における軌道ラシュバ効果（ORE）のメカニズムを同定すること。
• sp軌道混合と表面ポテンシャル勾配が、表面状態におけるキラルな軌道テクスチャーおよび電気分極を生成する役割を確立すること。
• ベリー位相理論が、標準的な原子的近似と比較して、軌道磁化の大きさを顕著に増幅することを示すこと。
• 特異点をフェルミ準位に配置することにより、軌道ホール効果やギロトロピック磁気効果などの巨大軌道応答を予測すること。
• スピントロニクスにおけるスピンラシュバ効果と類似した、表面オルビトロニクスの基盤としての軌道ラシュバ効果の位置づけを確立すること。

提案手法

• sp軌道混合および表面ポテンシャル勾配を組み込んだタイトバインディングモデルを構築し、軌道ラシュバ物理学を記述する。
• FLEURコードを用いた自己無撞着な密度汎関数理論（DFT）計算を実施。FLAPW法とGGA交換相関関数を用いる。
• DFTバンドから最大局在化Wannier関数（MLWFs）を構築し、高精度な軌道磁化（OM）計算を可能にする。
• 軌道磁化を2通りの方法で計算：原子的近似（ACA）とLopezらのベリー位相に基づく手法。
• k空間における軌道テクスチャーの依存性とキラル性を解析し、特にバンドギャップ付近の挙動に注目する。
• ベリー位相理論による非局所効果が、軌道磁化の大きさと空間的変動に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン軌道結合が存在しない表面系において、軌道ラシュバ効果は実現可能か？ その物理的メカニズムは何か？
• RQ2 sp軌道混合は、表面状態におけるキラルな軌道テクスチャーおよび電気分極の形成にどのように寄与するか？
• RQ3 ベリー位相理論は、従来の原子的近似と比較して、予測される軌道磁化の大きさをどの程度増幅するか？
• RQ4 バンドギャップ付近の交差が、軌道ホール効果やギロトロピック磁気効果などの軌道応答を強化する役割を果たすか？
• RQ5 軌道ラシュバ効果は、新規な表面オルビトロニクス現象の工学的実現のための実用的基盤として成立するか？

主な発見

• BiAg₂単層膜において、スピン軌道結合が存在しない状態でも、sp軌道混合と表面ポテンシャル勾配が原因で軌道ラシュバ効果が発現する。
• 第一原理計算により、k空間にキラルな軌道テクスチャーが存在することが確認され、表面状態に明確なp₋₁、p₀、p₊₁軌道成分が見られる。
• ベリー位相理論により、原子的近似と比較して、特にバンドギャップ付近で予測される軌道磁化の大きさが数個のオーダー以上に増幅される。
• バンドギャップ付近の軌道磁化特異点をフェルミ準位にチューニング可能であり、これにより軌道エデルシュタイン効果やギロトロピック磁気効果などの巨大軌道応答が実現される。
• 時間反転対称性のおかげで、異なるバルクに反対の軌道磁化を示すため、バルク依存の軌道電気磁気的応答を示す。
• 軌道ラシュバ効果は、表面状態の電気分極と本質的に関連しており、軌道テクスチャーとフェロエレクトリック的挙動との直接的な関係を確立する。