[论文解读] 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 22

一句话总结

本文提出了一种在表面合金（如BiAg₂）中由sp轨道杂化和表面势梯度驱动的轨道Rashba效应（ORE）机制，导致手性轨道纹理和电极化。第一性原理计算表明，贝里相位理论显著增强了能带交叉附近的轨道磁矩，从而实现对表面轨道电子学至关重要的巨大轨道效应。

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.

研究动机与目标

• 识别一种在不依赖自旋-轨道耦合的情况下实现表面系统中轨道Rashba效应（ORE）的机制。
• 确立sp轨道杂化和表面势梯度在生成表面态中手性轨道纹理和电极化中的作用。
• 证明与标准原子近似相比，贝里相位理论可显著增强轨道磁矩的预测大小。
• 通过将轨道磁矩奇点置于费米能级，预测巨大的轨道响应（如轨道霍尔效应和旋光磁效应）。
• 将轨道Rashba效应确立为表面轨道电子学的基础平台，类比于自旋电子学中的自旋Rashba效应。

提出的方法

• 构建了一个包含sp轨道杂化和表面势梯度的紧束缚模型，以描述轨道Rashba物理。
• 使用FLEUR代码结合FLAPW方法和GGA交换-关联泛函，进行了自洽的密度泛函理论（DFT）计算。
• 从DFT能带构建最大局域化Wannier函数（MLWFs），以实现精确的轨道磁矩（OM）计算。
• 采用两种方法计算轨道磁矩：原子类近似（ACA）和Lopez等人基于贝里相位的方法。
• 分析了轨道纹理在k空间中的依赖关系及其手性特征，特别是在能带交叉附近。
• 通过贝里相位理论评估非局域效应对轨道磁矩大小和空间变化的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 轨道Rashba效应是否可在无自旋-轨道耦合的表面系统中实现，其物理机制是什么？
• RQ2 sp轨道杂化如何促进表面态中手性轨道纹理和电极化的形成？
• RQ3 与传统原子近似相比，贝里相位理论在多大程度上增强了轨道磁矩的预测大小？
• RQ4 能带交叉在增强轨道响应（如轨道霍尔效应或旋光磁效应）中起什么作用？
• RQ5 轨道Rashba效应能否作为工程新型表面轨道电子现象的可行平台？

主要发现

• 在BiAg₂单层中，即使在无自旋-轨道耦合的情况下，轨道Rashba效应也由sp轨道杂化和表面势梯度引起。
• 第一性原理计算证实了k空间中手性轨道纹理的存在，表面态具有明显的p₋₁、p₀和p₊₁轨道特征。
• 与原子类近似相比，贝里相位理论将预测的轨道磁矩大小提高了几个数量级，尤其在能带交叉附近更为显著。
• 能带交叉附近的轨道磁矩奇点可被调节至费米能级，从而导致轨道响应（如轨道爱德华斯坦效应和旋光磁效应）的极大增强。
• 由于时间反演对称性，该系统表现出谷依赖的轨道电极化响应，不同谷中的轨道磁矩相反。
• 轨道Rashba效应与表面态的电极化直接关联，建立了轨道纹理与铁电性类似行为之间的直接联系。