隨著信息通信技術(shù)的發(fā)展，自旋軌道矩器件因低功耗、亞納秒速度的自旋操控成為研究熱點(diǎn)。其中，強(qiáng)自旋軌道耦合作用引起的自旋霍爾效應(yīng)是產(chǎn)生自旋軌道矩翻轉(zhuǎn)的重要物理效應(yīng)之一。它指的是當(dāng)外加縱向電場(chǎng)時(shí)會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生一個(gè)橫向的純自旋流。一般來(lái)說(shuō)，自旋霍爾效應(yīng)是通過(guò)自旋霍爾電導(dǎo)率（SHC）進(jìn)行表征和測(cè)量。

通常來(lái)說(shuō)，自旋霍爾效應(yīng)的本征機(jī)制與拓?fù)浞瞧接鼓軒芮邢嚓P(guān)，這可通過(guò)第一性原理計(jì)算和Kubo公式進(jìn)行研究。拓?fù)浣^緣體一直被看作是產(chǎn)生純自旋流的理想材料。但實(shí)驗(yàn)顯示，表面態(tài)和體態(tài)雜化導(dǎo)致的體態(tài)載流子問(wèn)題限制了拓?fù)浣^緣體在自旋電子器件中的廣泛應(yīng)用。最近，人們認(rèn)識(shí)到含重金屬元素的化合物可能存在很大的自旋霍爾效應(yīng)。尤其是具有自旋動(dòng)量鎖定特性的拓?fù)浒虢饘僖鹆巳藗儤O大的研究興趣。而目前為止，具有高SHC的拓?fù)浒虢饘偃暂^缺乏。

來(lái)自北京航空航天大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院的IEEE Fellow趙巍勝教授與中國(guó)科學(xué)院大學(xué)朱振剛教授、蘭州大學(xué)羅洪剛教授組成聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，基于第一性原理計(jì)算以及團(tuán)隊(duì)成員自行開(kāi)發(fā)的高效Wannier-interpolation方法探索到狄拉克半金屬砷化鉭（Ta3As）家族費(fèi)米面處具有很高的SHC，其值高達(dá)1500 ~ 1700。

通過(guò)對(duì)拓?fù)浔砻鎽B(tài)與自旋輸運(yùn)特性分析，發(fā)現(xiàn)Ta3As家族材料呈現(xiàn)出復(fù)雜的狄拉克拓?fù)涔?jié)線半金屬特性：（a）當(dāng)考慮自旋軌道耦合時(shí)，費(fèi)米面附近具有鼓膜狀拓?fù)浔砻鎽B(tài)。（b）在不考慮自旋軌道耦合時(shí)，費(fèi)米面附近的狄拉克點(diǎn)構(gòu)成了復(fù)雜的交叉節(jié)線，即三條節(jié)線在頂點(diǎn)處相交于一點(diǎn)，然而在中心處兩條節(jié)線相交形成一個(gè)網(wǎng)格。該研究為在具有復(fù)雜物理效應(yīng)的拓?fù)浣徊婀?jié)線半金屬中探索高SHC以及構(gòu)建新一代自旋軌道矩的自旋電子器件提供了新的發(fā)展方向。

該文近期發(fā)表于npj Computational Materials 7： 37 （2021）。

Prediction of crossing-nodal-lines and large intrinsic spin Hall conductivity in topological Dirac semimetal Ta3As family

Wenjie Hou， Jian Liu， Xi Zuo， Jian Xu， Xueying Zhang， Desheng Liu， Mingwen Zhao， Zhen-Gang Zhu， Hong-Gang Luo & Weisheng Zhao

Topological insulators （TIs） are considered as ideal platforms for generating large spin Hall conductivity （SHC）， however， the bulk carrier problem， which is unavoidable in TIs， hinders their practical applications. Recently， topological semimetals （TSMs） have been proposed to achieve large SHC to replace TIs. However， the ideal TSM candidates with large SHC are still lacking. In terms of first-principles calculations， we predict that Ta3As family compounds exhibit complex crossing-nodal-lines （CNL） properties in absence of the spin-orbit coupling （SOC）。 However， they transfer to Dirac TSMs under the influence of strong SOC， and present large SHC around Fermi level in particular. Remarkably， the SHC value of Ta3Y （Y=As， Sb， Bi） is around 1500 ~ 1700 ， which is comparable to noble metal Pt and much larger than TIs， Weyl TSMs， and 4d/5d transition metals. Our work not only suggests a kind of TSM family with interesting Dirac CNL around Fermi level， but also paves the way for searching large intrinsic SHC materials in complex CNL TSM systems.

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