近日，华南师范大学物理学院/广东省高等学校物质结构与相互作用基础研究卓越中心/广东省量子调控工程与材料重点实验室邓明勋教授、王瑞强研究员在拓扑自旋电子学领域取得重要进展：在非磁拓扑Dirac半金属材料中发现了一种全新的自旋极化现象——非平衡隐藏自旋极化。此发现不仅提出了自旋依赖的三维霍尔效应新效应，还为在非磁性材料中设计自旋电子器件提供新思路。该研究成果以《Current-Induced Nonequilibrium Hidden Spin Polarization in Topological Dirac Semimetals》为题，于9月5日在线发表在国际顶级物理学期刊《Physical Review Letters》上，文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/snby-9xsr

隐藏自旋极化是指在中心对称的材料中，由局域对称性破缺引起的内禀自旋极化现象。虽然材料的全局自旋极化因空间反演对称性而消失，但每个原子层或原子位置的自旋极化方向呈反平行排列，表现出局域化的自旋极化。这一现象在自旋电子学领域，特别是在新一代存储器与量子计算器件的开发中，具有潜在的应用，近年来受到了广泛的关注。已有相关研究主要集中在PT对称的反铁磁材料中，对候选材料的对称性要求非常严格。该研究拓展了该领域的研究，首次揭示了在通常的非磁性拓扑Dirac半金属（如Na₃Bi、Cd₃As₂等）中，由外加电场（或电流）可以诱导出一种非平衡隐藏自旋极化，这种自旋极化存在于形成三维量子霍尔效应的外尔轨道中。在拓扑Dirac半金属中，三维量子霍尔效应是由两套自旋相反、位置和动量空间分离的外尔轨道形成，由于PT对称性整体上无自旋极化，即为隐藏自旋极化。尽管关于三维量子霍尔效应的研究有很多，但从未报导过这种自旋依赖的外尔轨道。他们进一步研究发现，外尔轨道通过外场激发的隐藏自旋极化不仅随样品厚度变化展现出量子振荡，还随费米能级变化呈现出台阶状的量子平台。这一现象具有外尔轨道的非局域拓扑特性，并能通过电流诱导的非局域自旋轨道力矩进行探测与调控，可用于磁矩的非局域开关与翻转。这一重要发现不仅提出了自旋依赖的三维霍尔效应新理论，还为在非磁材料中设计自旋电子器件提供了新思路，具有重要的应用前景。

(a)  拓扑狄拉克半金属中的外尔轨道及其自旋-动量-表面锁定，(b) 外尔轨道的电子概率密度分布，(c)外尔轨道中非平衡自旋极化系数的空间分布，(d) -(e) 局域自旋极化随样品厚度变化的量子振荡和随费米面变化的量子平台。

华南师范大学为该论文的唯一署名单位。华南师范大学青年拔尖人才邓明勋教授指导的2021级本科生赖芸静为论文第一作者，邓明勋教授和珠江学者特聘教授王瑞强研究员为共同通讯作者。其他合作者包括华南师范大学物理学院博士研究生黄梦柔、以及段后建副教授和杨谋教授。该工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金杰出青年基金，以及广东省量子科学战略计划等项目的资助。