近日，李政道研究所嚴智明副教授等在强關聯二維電子液體研究中取得重要進展，相關研究成果以“Quasi-particle interference and quantum confinement in a correlated Rashba spin-split 2D electron liquid”為題發表於國際著名科學期刊Science Advances上。
利用强自旋-軌道耦合系統中晶格反演對稱性破缺的性質，可以通過電場控制自旋，這對於實現自旋電子器件微型化至關重要。要實現這一點，需要一個自旋旋進長度小於自旋相干長度且具有大自旋劈裂的二維電子氣體，以便在納米尺度上實現自旋操縱。
具有層狀結構的過渡金屬氧化物PdCoO2（鈷酸鈀）是有可能實現上述條件的理想資料之一。PdCoO2的晶格結構是由具有高導電性的鈀離子層夾在CoO2（二氧化鈷）的八面體層之間構成，從而使得這種資料具有相當大的電輸運各向異性。同時，PdCoO2的層狀三角晶格也使這種資料具有幾乎沒有任何翹曲的六角形費米麵，從而使電子在這個資料的a-b平面內具有很强的方向彈道傳輸特性。有關電子結構方面，PdCoO2本體內的CoO2層為莫特絕緣層。然而，將CoO2表面暴露在真空中，會出現以晶格反演對稱性破缺為主導的巨大自旋劈裂表面電子態。在這個極限下，與以自旋-軌道耦合為主導的常規Rashba體系中的自旋劈裂表面態相比較，其費米麵顯示出相同的自旋織構、但完全不同的軌道織構（圖1）。這引起了人們對這個體系中准粒子干涉的疑問。
圖1.自旋軌道耦合（SOC）主導（A）和中心反演對稱性破缺（ISB）主導（B）極限下Rashba自旋劈裂表面態的費米麵。藍色和紅色表示自旋的方向，黑色的箭頭表示軌道結構。（A）兩個子能帶自旋和軌道織構具有相同的手性，准粒子干涉的選擇規則完全相同。（B）由CoO2計算出的巨大自旋劈裂表面態示意圖，軌道角動量在兩個子能帶上表現出相同的手性，而自旋織構卻表現出相反的手性。
為了回答這個問題，本研究中使用低溫掃描隧道顯微鏡（STM）能譜成像科技去研究在CoO2表面巨大自旋劈裂電子態的准粒子干涉。實驗結果證明，這種特殊情况服從於純自旋選擇定則，而不適用於常規Rashba體系的自旋-軌道選擇定則。同時，實驗結果證實了准粒子的自旋相干長度遠大於它的自旋旋進長度，從而表明這個系統也可以實現在納米尺度上進行自旋操縱。（圖2）
圖2.CoO2表面准粒子干涉。（A）CoO2表面在電壓為1mV時的實空間電導圖。（比例尺為10 nm）。（B）對應動量空間圖。六邊形標記動量為kz=0Å-1平面的布裡淵區。紅色箭頭表示沿晶格<100>方向的散射向量。粉色箭頭表示假設帶內散射也會發生時的散射向量。（C）CoO2表面的費米麵。Rashba自旋劈裂導致圍繞著G點的費米口袋有著相反的旋轉結構。紅色箭頭表示實驗中觀察到的帶間散射向量，粉色箭頭表示實驗中未觀察到的帶內散射向量。（D）從緊束縛計算、在電子能量為零時的類比QPI影像。
本論文合作者為英國聖安德魯斯大學（University of St Andrews）的Peter Wahl教授課題組和德國馬克斯·普朗克固體化學物理研究所（Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids）的Andy Mackenzie教授課題組。李政道研究所嚴智明副教授為本論文的第一作者，另外他和Peter Wahl教授為共同通訊作者。
論文連結：https://advances.sciencemag.org/content/7/15/eabd7361.full