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Hidden spin polarization in inversion-symmetric bulk crystals

点反射 简并能级 不对称 物理 凝聚态物理 自旋极化 极化(电化学) 反演(地质) 自旋电子学 量子力学 铁磁性 化学 电子 构造盆地 物理化学 古生物学 生物
作者
Xiuwen Zhang,Qihang Liu,Jun‐Wei Luo,A. J. Freeman,Alex Zunger
出处
期刊:Nature Physics [Nature Portfolio]
卷期号:10 (5): 387-393 被引量:503
标识
DOI:10.1038/nphys2933
摘要

Spin–orbit coupling can induce spin polarization in nonmagnetic 3D crystals when the inversion symmetry is broken, as manifested by the bulk Rashba and Dresselhaus effects. We establish that these spin-polarization effects originate fundamentally from specific atomic site asymmetries, rather than, as generally accepted, from the asymmetry of the crystal space group. This understanding leads to the recognition that a previously overlooked hidden form of spin polarization should exist in centrosymmetric crystals. Although all energy bands must be doubly degenerate in centrosymmetric materials, we find that the two components of such doubly degenerate bands could have opposite polarizations, each spatially localized on one of the two separate sectors forming the inversion partners. We demonstrate such hidden spin polarizations in particular centrosymmetric crystals by first-principles calculations. This new understanding could considerably broaden the range of currently useful spintronic materials and enable the control of spin polarization by means of operations on the atomic scale. Spin polarization due to spin–orbit coupling requires broken inversion symmetry. Now, calculations show that the effect arises from local site-asymmetry rather than global space-group asymmetry, and that a hitherto overlooked form of spin polarization should also exist in centrosymmetric structures.
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