[科普中国]-自旋耦合轨道

自旋耦合轨道是电子自旋与轨道相互作用的桥梁， 它提供了利用外电场来调控电子的轨道运动、 进而调控电子自旋状态的可能．

自旋轨道耦合效应及其应用随着自旋电子学的迅猛发展，自旋轨道耦合效应受到广泛关注，国际上关于相关材料中自旋轨道耦合效应引起的各种新奇物理现象的报道越来越多，如自旋霍尔效应、自旋场效应晶体管、低损耗的自旋、自旋量子计算等。1

自旋轨道耦合效应的起源电场对静止的电荷有静电力的作用，电场对运动的电荷除了有静电力的作用外还有磁场力的作用。磁场对静止的电荷没有力的作用，磁场对运动的电荷有力的作用。电场对静止磁矩无相互作用，电场对运动磁矩有力矩作用。自旋轨道耦合的本质是外电场对运动自旋磁矩的作用，自旋轨道耦合同时也是一个相对论的效应。

1、从经典唯象出发给出自旋轨道耦合

根据库仑定律，原子核在运动电子 － e 处产生一电场，电子绕原子核以速度 v 运动，存在一自旋磁矩，电场对运动的磁矩将会产生相互作用，所以该自旋磁矩和由原子实在该处产生的电场将产生相互作用，这就是自旋轨道互作用的起源。由于运动是相对的，运动也可以看成电子不动，原子核绕电子运动，对应的自旋轨道耦合则可以理解成电子静止的，电场 E 以 － v 运动产生一个磁场 B，这磁场 B 对自旋有力矩的作用。

2、从狄拉克方程出发推导自旋轨道耦合项

自旋是相对论量子力学的自然结果，所以更严格地给出原子中自旋轨道耦合必须要从狄拉克方程出发，通过狄拉克方程的非相对论极限可以得出自旋轨道耦合的具体形式。1

两种自旋轨道耦合效应自旋轨道耦合效应在半导体自旋电子学有很多具体应用，实际研究中根据介质材料所受力的性质和材料结构对称性可以将自旋轨道耦合效应分为 Rashba 自旋轨道耦合和 Dressalhaus 自旋轨道耦合。

1、Rashba 自旋轨道耦合效应

Rashba 自旋轨道耦合效应相互作用机制是由Rashba 首先引入的，Rashba 自旋轨道耦合起源于结构反演不对称，材料结构的非中心对称性将导致能带倾斜。

2、 Dressalhaus 自旋轨道耦合

在三维晶体环境中，势能 V( r ) 起源于晶体周期势。大多数多元半导体具有闪锌矿晶格结构或者铅锌矿晶格 结构，二者都没有反演对称性。1

自旋轨道耦合作用研究进展固体材料中有很多有趣的物理现象，例如磁晶各向异性、 自旋霍尔效应、 拓扑绝缘体等，都与自旋轨道耦合密切相关。在表面/ 界面体系中，由于结构反演不对称导致的自旋轨道耦合称为Ras hba自旋轨道耦合，在半导体材料中获得研究，并因其强度可由栅电压灵活调控而备受关注，成为电控磁性的重要物理基础之一。2

自旋轨道耦合作用磁性金属表面态可同时存在铁磁交换劈裂和Rashba自旋劈裂，并因此引起更多与自旋相关的物理现象Krupin等以 Gd（0001 ） 表面为例研究了磁性金属表面Rashba自旋轨道耦合劈裂。先基于近自由电子模型定性描述了磁性金属表面Rashba自旋劈裂。2

自旋轨道耦合的电学方法调控在半导体异质结中，Rashba 自旋轨道耦合强度可由栅极电压调控，这也是Rashba自旋轨道耦合比其他自旋轨道耦合作用更受关注的原因。属表面的Rashba自旋轨道耦合能否通过外加电场来调控。2006年，Bihlmayer等以Lu（0001）为例研究了电场对金属表面Rashba自旋轨道耦合的调控。在金属 表面存在垂直于表面的内建电场，该电场与金属的功函数相关。 对金属表面施加外电场时，该外加电场可增加或降低表面态波函数的对称性，进而增强或减弱表面 Rashba 自旋轨道耦合。

直接对金属表面施加外电场也可以调控表面 Rashba 自旋轨道耦合强度利用第 一性原理计算研究了电场对 Au（111） 表面自旋轨道耦合的调控。

除了直接对金属表面施加外电场，在金属/铁电体复合材料界面，利用铁电极化翻转也可有效调控界面处Rashba自旋轨道耦合强度。2010年，Abdelouahed等利用第一性原理计算研究了Bi/BaTi 03 复合体系，发现 BaTi 03 铁电极化翻转对Bi－6p轨道形成的Rashba自旋劈裂表面态有一定影响。2

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学