[论文解读] Parallel spin-momentum locking in a chiral topological semimetal

Jonas A. Krieger, Samuel Stolz+24 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2022

Topological Materials and Phenomena参考文献 2被引用 6

一句话总结

本研究通过自旋分辨角分辨光电子能谱（spin-ARPES）在手性拓扑半金属PtGa的Γ点处，首次实验验证了Rarita-Schwinger多折费米子中平行自旋-动量锁定现象。观测到的费米弧表面态自旋纹理——电子自旋方向垂直于费米面轮廓——证实体相多折费米子表现出严格平行的自旋-动量锁定，这一长期理论预测但未被观测到的现象，对自旋电子学和关联量子物质具有重要意义。

ABSTRACT

Spin-momentum locking in solids describes a directional relationship between the electron's spin angular momentum and its linear momentum over the entire Fermi surface. While orthogonal spin-momentum locking, such as Rashba spin-orbit coupling, has been studied for decades and inspired a vast number of applications, its natural counterpart, the purely parallel spin-momentum locking, has remained elusive in experiments. Recently, chiral topological semimetals that host single- and multifold band crossings have been predicted to realize such parallel locking. Here, we use spin- and angle-resolved photoelectron spectroscopy to probe spin-momentum locking of a multifold fermion in the chiral topological semimetal PtGa via the spin-texture of its topological Fermi-arc surface states. We find that the electron spin of the Fermi-arcs points orthogonal to their Fermi surface contour for momenta close to the projection of the bulk multifold fermion, which is consistent with parallel spin-momentum locking of the latter. We anticipate that our discovery of parallel spin-momentum locking of multifold fermions will lead to the integration of chiral topological semimetals in novel spintronic devices, and the search for spin-dependent superconducting and magnetic instabilities in these materials.

研究动机与目标

• 在凝聚态系统中实验验证多折费米子的平行自旋-动量锁定现象，这是长期理论预测但尚未被观测到的现象。
• 研究PtGa中表面态的自旋纹理，该材料是S = 3/2 Rarita-Schwinger费米子的宿主，作为探测体相自旋-动量锁定的代理。
• 验证观测到的自旋极化是否为电子态的本征性质，而非光电子发射矩阵元或实验几何结构的产物。
• 探讨平行自旋-动量锁定对手性材料中纵向磁电效应及非传统超导性的潜在影响。

提出的方法

• 利用60 eV圆偏振光对PtGa的(001)表面进行自旋分辨角分辨光电子能谱（spin-ARPES）测量，以探测表面态的自旋纹理。
• 基于密度泛函理论（DFT）进行从头算计算，以计算多折费米子的三维自旋纹理，并与实验数据对比。
• 改变光子能量和光偏振态，以排除矩阵元效应作为观测到的自旋极化的来源，确认其源于初态波函数。
• 在对映异构表面进行自旋纹理测量，以验证自旋的赝矢量变换行为，从而证实自旋纹理的本征性。
• 沿高对称方向（Γ–R）及远离高对称点的区域映射自旋纹理，以评估锁定机制在k·p近似失效区域的鲁棒性。
• 分析多个动量方向上平面内自旋极化的不对称性，以量化自旋相对于费米面轮廓的切向对齐程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 PtGa中的Rarita-Schwinger多折费米子是否如理论预测的那样表现出严格平行的自旋-动量锁定？
• RQ2 PtGa中表面费米弧态的自旋纹理能否准确反映体相多折费米子的自旋-动量锁定特性？
• RQ3 观测到的自旋极化是电子态的本征性质，还是光电子发射矩阵元的产物？
• RQ4 为何费米弧的自旋纹理即使在远离高对称点（k·p近似失效区域）仍保持与费米面轮廓相切？
• RQ5 平行自旋-动量锁定对手性拓扑材料中纵向磁电效应及非传统超导性有何影响？

主要发现

• PtGa在Γ点附近外层和内层费米弧的自旋纹理表现出平面内自旋极化，且方向垂直于费米面轮廓；外层弧的自旋极化方向与ky相反，而内层弧则与ky平行。
• 实验测得的费米弧自旋纹理与从头算计算结果高度一致，证实Γ点处体相多折费米子表现出平行自旋-动量锁定。
• 即使在远离高对称点的Γ–R方向上，自旋纹理仍保持与费米面轮廓相切，表明存在一种鲁棒且非局域的自旋-动量锁定机制。
• 通过系统性调节光子能量和偏振态，确认观测到的自旋极化是初态的本征性质，而非矩阵元效应所致。
• 在对映异构表面的测量结果与预期一致，自旋极化方向发生反转，符合自旋在空间反演下的赝矢量变换行为。
• 该发现确立了PtGa作为各向同性纵向磁电效应平台的潜力，并暗示其在新型自旋电子器件和奇异超导相中的应用前景。