近日，李政道研究所严智明副教授等在强关联二维电子液体研究中取得重要进展，相关研究成果以 “Quasi-particle interference and quantum confinement in a correlated Rashba spin-split 2D electron liquid” 为题发表于国际著名科学期刊Science Advances上 。

利用强自旋-轨道耦合系统中晶格反演对称性破缺的性质，可以通过电场控制自旋，这对于实现自旋电子器件微型化至关重要。要实现这一点，需要一个自旋旋进长度小于自旋相干长度且具有大自旋劈裂的二维电子气体，以便在纳米尺度上实现自旋操纵。
具有层状结构的过渡金属氧化物PdCoO₂（钴酸钯）是有可能实现上述条件的理想材料之一。PdCoO2的晶格结构是由具有高导电性的钯离子层夹在CoO2（二氧化钴）的八面体层之间构成，从而使得这种材料具有相当大的电输运各向异性。同时，PdCoO2的层状三角晶格也使这种材料具有几乎没有任何翘曲的六角形费米面，从而使电子在这个材料的a-b平面内具有很强的方向弹道传输特性。有关电子结构方面，PdCoO2本体内的CoO2层为莫特绝缘层。然而，将CoO2表面暴露在真空中，会出现以晶格反演对称性破缺为主导的巨大自旋劈裂表面电子态。在这个极限下，与以自旋-轨道耦合为主导的常规Rashba体系中的自旋劈裂表面态相比较，其费米面显示出相同的自旋织构、但完全不同的轨道织构（图1）。这引起了人们对这个体系中准粒子干涉的疑问。
图 1. 自旋轨道耦合（SOC）主导（A）和中心反演对称性破缺（ISB）主导（B）极限下Rashba自旋劈裂表面态的费米面。蓝色和红色表示自旋的方向，黑色的箭头表示轨道结构。（A）两个子能带自旋和轨道织构具有相同的手性，准粒子干涉的选择规则完全相同。（B） 由CoO₂计算出的巨大自旋劈裂表面态示意图，轨道角动量在两个子能带上表现出相同的手性，而自旋织构却表现出相反的手性。
为了回答这个问题，本研究中使用低温扫描隧道显微镜（STM）能谱成像技术去研究在CoO2表面巨大自旋劈裂电子态的准粒子干涉。实验结果证明，这种特殊情况服从于纯自旋选择定则，而不适用于常规Rashba体系的自旋-轨道选择定则。同时，实验结果证实了准粒子的自旋相干长度远大于它的自旋旋进长度，从而表明这个系统也可以实现在纳米尺度上进行自旋操纵。（图2）

图2. CoO₂表面准粒子干涉。（A）CoO₂表面在电压为1mV时的实空间电导图。（比例尺为10 nm）。（B）对应动量空间图。六边形标记动量为k_z=0 ?^-1平面的布里渊区。红色箭头表示沿晶格<100>方向的散射矢量。粉色箭头表示假设带内散射也会发生时的散射矢量。（C） CoO2表面的费米面。Rashba自旋劈裂导致围绕着G点的费米口袋有着相反的旋转结构。红色箭头表示实验中观察到的带间散射矢量，粉色箭头表示实验中未观察到的带内散射矢量。（D） 从紧束缚计算、在电子能量为零时的模拟QPI图像。
本论文合作者为英国圣安德鲁斯大学（University of St Andrews）的Peter Wahl教授课题组和德国马克斯·普朗克固体化学物理研究所（Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids）的Andy Mackenzie 教授课题组。李政道研究所严智明副教授为本论文的第一作者，另外他和Peter Wahl 教授为共同通讯作者。
论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/7/15/eabd7361.full