[论文解读] Current-induced Orbital and Spin Magnetizations in Crystals with Helical Structure

Taiki Yoda, Takehito Yokoyama+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2015

Magnetic properties of thin films参考文献 30被引用 134

一句话总结

本文提出，在螺旋晶体（如Se或Te的手性晶体）中，沿螺旋轴方向施加电流会在同一轴向上诱导出轨道磁化和自旋磁化。通过紧束缚模型，作者表明电流诱导的自旋磁化源于费米面上的径向自旋纹理，这与Rashba系统中观察到的横向自旋极化形成对比。该效应具有手性：右旋和左旋螺旋结构产生相反的磁化，类似于螺线管的行为，且轨道磁化无需自旋-轨道耦合。

ABSTRACT

We theoretically show that in a crystal with a helical lattice structure, orbital and spin magnetizations along a helical axis are induced by an electric current along the helical axis. We propose a simple tight-binding model for calculations, and the results can be generalized to any helical crystals. The induced magnetizations are opposite for right-handed and left-handed helices. The current-induced spin magnetization along the helical axis comes from a radial spin texture on the Fermi surface. This is in sharp contrast to Rashba systems where the induced spin magnetization is perpendicular to the applied current.

研究动机与目标

• 证明沿螺旋轴的电流可在手性晶体中诱导出轴向的轨道磁化和自旋磁化。
• 解释螺旋系统中电流诱导自旋磁化的起源，并与Rashba型系统进行对比。
• 建立一个适用于任何缺乏镜像和反演对称性的晶体的一般框架。
• 表明所诱导的磁化具有手性——右旋与左旋螺旋结构产生相反的磁化，类似于螺线管行为。
• 阐明轨道磁化可在无自旋-轨道耦合条件下产生，而自旋磁化则需要该耦合。

提出的方法

• 构建一个具有螺旋晶格结构的三维紧束缚模型，由堆叠的蜂窝层组成，每个格点上有一个轨道。
• 在相邻层的相同子晶格之间引入螺旋跳跃项，破坏反演和镜像对称性，从而区分右旋与左旋螺旋结构。
• 使用哈密顿量 H = t1∑⟨ij⟩c†icj + t2∑[ij]c†icj + ∆∑iξic†ici，其中t2项编码螺旋性，∆为交替势。
• 应用半经典玻尔兹曼近似，计算沿z轴（螺旋轴）施加电场时的电流诱导磁化。
• 使用公式 Morb = 2∑n∫BZ d3k/(2π)3 fnk [mnk + e/ℏ(εF−εnk)Ωnk] 计算轨道磁化，其中mnk和Ωnk由波函数曲率导出。
• 将模型扩展以包含自旋-轨道耦合Hso，通过引入自旋依赖的跃迁，研究电流诱导的自旋极化。

实验结果

研究问题

• RQ1 沿螺旋轴的电流是否能在手性晶体中诱导出沿同一轴向的净磁化？
• RQ2 螺旋系统中电流诱导自旋磁化的起源是什么？与Rashba型系统有何不同？
• RQ3 手性（右旋与左旋螺旋）如何影响所诱导磁化的符号和大小？
• RQ4 在无自旋-轨道耦合条件下，电流诱导的轨道磁化是否可能？
• RQ5 该效应能否推广至任何缺乏镜像和反演对称性的晶体？

主要发现

• 沿螺旋轴的电流可在金属中诱导出沿同一轴向的净轨道磁化，但在零温下的带绝缘体中不会。
• 在动量空间中K–H和K′–H′线上的狄拉克点附近，所诱导的轨道磁化显著增强。
• 电流诱导的自旋磁化为轴向（与电流平行），源于费米面上的径向自旋纹理，与Rashba系统中的横向自旋极化不同。
• 右旋与左旋螺旋结构之间，电流诱导磁化的符号相反，类似于螺线管中磁场的方向。
• 轨道磁化可在无自旋-轨道耦合条件下产生，而自旋磁化则需要该耦合。
• 结果可推广至任何缺乏镜像和反演对称性的晶体，表明该效应在手性材料中具有潜在的自旋电子学应用价值。