華南師範大學教授鄧明勳、研究員王瑞强團隊與合作者在非磁拓撲Dirac半金屬資料中發現了一種全新的自旋極化現象——非平衡隱藏自旋極化。相關研究成果近日線上發表於《物理評論快報》。
隱藏自旋極化是指在中心對稱資料中由局域對稱性破缺引起的內禀自旋極化現象。雖然資料的全域自旋極化因空間反演對稱性而消失，但每個原子層或原子位置的自旋極化方向呈反平行排列，表現出局域化的自旋極化。這一現象在自旋電子學領域，特別是新一代記憶體與量子計算器件的開發中，具有潜在應用價值，近年來受到了廣泛關注。
已有的聚焦PT對稱反鐵磁資料的研究，對候選資料的對稱性要求非常嚴格。科學家拓展了該領域的研究，首次揭示了在非磁拓撲Dirac半金屬中，外加電場（或電流）可以誘匯出一種非平衡隱藏自旋極化，這種自旋極化存在於形成三維量子霍爾效應的外爾軌道中。
在拓撲Dirac半金屬中，三維量子霍爾效應由兩套自旋相反、位置和動量空間分離的外爾軌道形成。由於PT對稱性整體上無自旋極化，即為隱藏自旋極化，囙此儘管三維量子霍爾效應的研究有很多，但從未報導過這種自旋依賴的外爾軌道。
進一步研究發現，外爾軌道通過外場激發的隱藏自旋極化不僅隨樣品厚度變化展現出量子振盪，還隨費米能級變化呈現出臺階狀量子平臺。這一現象具有外爾軌道的非局域拓撲特性，並能通過電流誘導的非局域自旋軌道力矩進行探測與調控，可用於磁矩的非局域開關與翻轉。
該研究不僅提出了自旋依賴的三維霍爾效應新理論，還為在非磁資料中設計自旋電子器件提供了新思路。