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 電子具有電荷和自旋兩種內稟屬性，但傳統的電子器件僅利用了電子的電荷屬性而忽略了自旋屬性。在過去的幾十年中，人們發現電子的自旋比電荷具有更優越的性能，如退相干時間長、能耗低、運行速度快等。因此，自旋有望成為新一代電子器件的載體，隨之興起的學科即自旋電子學，在自旋電子學中，自旋流的產生、調控和探測是基石和研究重點。一般來說，電場可以調控電荷但無法調控自旋，自旋的調控需要磁場，然而，人們對磁場的掌控不如對電場的掌控精細而且磁場沒有電場安全。正是自旋軌道耦合（spin-orbit coupling，SOC）的存在，使得電場調控電子的自旋成為可能。由于自旋軌道耦合的存在，通過電場調控電子的軌道運動即可調控電子的自旋，它是電控自旋的物理基礎。

自旋軌道耦合是一種相對論效應。當電子在電場中運動時，根據相對論的洛倫茲變換，在電子的靜止參考系中，電子會感受到一個和電場以及電子運動有關的等效磁場。這個等效磁場和電子自旋的Zeeman相互作用將電子的自旋和軌道運動耦合在一起，即自旋軌道耦合。在各種自旋軌道耦合（SOC）中，Rashba自旋軌道耦合最受關注，因為使用外電場調控Rashba自旋軌道耦合最為簡單。Rashba自旋軌道耦合通常來源于結構反演不對稱性（structure inversion asymmetry，SIA）。除了SIA之外，在真實材料中還存在另外一種反演不對稱——體反演不對稱（bulk inversion asymmetry，BIA）。它起源于材料內部的反演對稱性的破缺，它會誘導Dresselhaus型的自旋軌道耦合。在許多材料中，Rashba和Dresselhaus型的自旋軌道耦合都會存在且糾纏在一起，導致各向異性的自旋劈裂。這種自旋劈裂的各向異性會帶來許多有趣的物理現象。

利用自旋分辨的ARPES直接觀測到Rashba能帶劈裂最先是在Au(111)的Shockley表面態中實現的。隨后至今，已有許多材料體系被發現存在Rashba型的SOC。其中，BiTeI和GeTe由于具有巨大的Rashba自旋劈裂而備受關注。不過，在目前所有已知的具有Rashba SOC的材料中，自旋劈裂至多是二維的。雖然理論上不排除由反演對稱性破缺導致三維Rashba自旋劈裂的存在，但在某一個明確的材料體系中實現仍然是具有挑戰性的任務。在應用方面，具有三維Rashba的材料可以實現一些新奇的功能，例如自旋流的三維調控。

中國科學院寧波材料技術與工程研究所納米事業部研究員何少龍帶領的研究組從2016年開始在寧波材料所研制先進角分辨光電子能譜（ARPES），經過兩年多的努力，該系統已經開始正常運作。研究組成員肖紹鑄和馮婭，利用角分辨光電子能譜及Spin-ARPES首次在PtBi2材料中發現三維Rashba型自旋劈裂。同時，利用ARPES結果結合第一性原理計算（吳賢新），從微觀電子結構角度闡述了這個自旋劈裂的主要起源：即γ-PtBi2晶體結構（空間群P31m）中心反演對稱性的破缺。特別的，這個巨大的自旋劈裂出現在布里淵區的M點而不是Rashba劈裂經常出現的Γ點，這使得γ-PtBi2在相關材料中與眾不同，有非常重要的意義。M點點群對稱性的降低和體反演不對稱性（BIA）的存在使得Rashba SOC和Dresselhaus SOC同時存在，誘導一個巨大的各向異性的三維自旋劈裂。

此工作已發表在《自然-通訊》上（Nature Communications, 10, 4765 2019）。此工作得到國家重點研發項目（2017YFA0303600，2016YFA0300600，2017YFA0302901）、國家自然科學基金（11674367，11227902，11927807，11774399）、浙江省自然科學基金（LZ18A040002）、寧波市2025重大專項（2018B10060）和寧波3315項目的支持。

圖1 在PtBi2布里淵區M點發現的Rashba型能帶劈裂

圖2 Rashba型劈裂的自旋結構

圖3 Rashba劈裂的3D E(kx,ky) 能帶結構

圖4 Rashba型能帶具有三維特性，它沿kz方向也有劈裂