[论文解读] Monopole-like orbital-momentum locking and the induced orbital transport in topological chiral semimetals

Qun Yang, Jiewen Xiao+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2023

Topological Materials and PhenomenaPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

该论文揭示了具有B20结构的拓扑手性半金属（如RhSi、PdGa）的三维费米面上存在类似单极子的轨道角动量锁定结构，该结构在电流作用下诱导出巨大的轨道霍尔效应（OHE）和巨大的、手性依赖的轨道磁电效应（OME）。该OME效应显著大于其自旋对应效应，凸显轨道纹理在轨道电子学和对映体识别应用中的关键作用。

ABSTRACT

The interplay between chirality and topology nurtures many exotic electronic properties. For instance, topological chiral semimetals display multifold chiral fermions that manifest nontrivial topological charge and spin texture. They are an ideal playground for exploring chirality-driven exotic physical phenomena. In this work, we reveal a monopole-like orbital-momentum locking texture on the three-dimensional Fermi surfaces of topological chiral semimetals with B20 structures (e.g., RhSi and PdGa). This orbital texture enables a large orbital Hall effect (OHE) and a giant orbital magnetoelectric (OME) effect in the presence of current flow. Different enantiomers exhibit the same OHE which can be converted to the spin Hall effect by spin-orbit coupling in materials. In contrast, the OME effect is chirality-dependent and much larger than its spin counterpart. Our work reveals the crucial role of orbital texture for understanding OHE and OME effects in topological chiral semimetals and paves the path for applications in orbitronics, spintronics, and enantiomer recognition.

研究动机与目标

• 研究具有B20结构的拓扑手性半金属（如RhSi和PdGa）中轨道纹理的作用。
• 理解手性和拓扑性如何共同影响轨道与自旋输运现象。
• 探索由独特的轨道-角动量锁定引发的大轨道霍尔效应与轨道磁电效应。
• 区分轨道磁电效应与自旋磁电效应的手性依赖性。
• 确立这些材料在轨道电子学、自旋电子学和手性传感中应用的潜力。

提出的方法

• 对B20型手性半金属（RhSi、PdGa）进行了从头算电子结构计算，以映射其三维费米面上的轨道纹理。
• 通过动量空间贝里连接和曲率分析，识别出轨道-角动量锁定，揭示出类似单极子的纹理。
• 利用库柏公式计算轨道输运系数，结合轨道矩阵元和费米面各向异性。
• 在施加电流和电场的条件下评估轨道霍尔效应（OHE）与轨道磁电效应（OME）。
• 引入自旋-轨道耦合，以研究OHE在这些材料中向自旋霍尔效应的转换。
• 分析对映体特异性响应，以确认OME效应的手性依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有B20结构的拓扑手性半金属的三维费米面上，轨道-角动量锁定如何表现？
• RQ2 这些材料中轨道霍尔效应的大小和起源是什么？其与自旋霍尔效应相比如何？
• RQ3 轨道磁电效应是否具有手性？其强度与自旋对应效应相比如何？
• RQ4 能否通过自旋-轨道耦合将轨道霍尔效应转化为自旋霍尔效应？
• RQ5 轨道纹理在实现大、手性、非平凡输运响应中起什么作用？

主要发现

• 在RhSi和PdGa等B20型手性半金属的三维费米面上，识别出类似单极子的轨道-角动量锁定纹理。
• 该纹理导致巨大的轨道霍尔效应（OHE），且两种对映体的OHE大小完全相同。
• 轨道磁电（OME）效应具有强烈的手性，其大小显著大于相应的自旋磁电效应。
• 自旋-轨道耦合使OHE可转化为自旋霍尔效应，证实了轨道与自旋自由度之间的相互作用。
• 轨道纹理是巨大OME效应的主要起源，与传统的自旋基磁电响应截然不同。
• 这些发现确立了拓扑手性半金属在轨道电子学和对映体特异性传感中的巨大潜力。