高效非相对论性Edelstein效应在节点p波磁体中的实现与机制研究

本研究突破性地在无自旋轨道耦合(SOC)的共面p波磁体中实现了高效非相对论性Edelstein效应(NREE)，通过对称性分析和第一性原理计算，发现CeNiAsO材料的自旋-电荷转换效率比传统相对论性EE高25倍。该成果为开发轻元素自旋电子器件提供了新思路，发表于《Nature Communications》。

　　

在自旋电子学领域，电荷-自旋转换效应（Edelstein effect, EE）长期以来被认为必须依赖重元素的自旋轨道耦合(SOC)机制。这一限制使得器件开发面临材料选择狭窄、效率瓶颈等问题。传统相对论性EE虽在Rashba-Dresselhaus系统、拓扑绝缘体等材料中有所体现，但其效率受限于SOC强度。近年来，非共线磁序系统为突破这一限制提供了可能，但现有非相对论性EE(NREE)方案仍存在时间反演对称性(TRS)破缺或各向同性响应不足等缺陷。

德国美因茨大学（Johannes Gutenberg Universit?t Mainz）的Atasi Chakraborty等研究人员在《Nature Communications》发表的研究，通过理论预测和计算证实：具有^Tt对称性的共面p波磁体可实现超高效率NREE。这类材料通过非共线磁序打破空间反演对称性，同时保持动量空间TRS，产生独特的各向异性、面外极化自旋响应。研究团队首先构建二维最小紧束缚模型，证明其NREE响应强度是传统Rashba二维电子气(2DEG)的6倍；进而通过Kagome晶格多轨道模型揭示自旋倾斜角对效应的调控规律；最终在第一性原理计算中筛选出候选材料CeNiAsO，其单位体积响应值比非共线反铁磁体LuFeO₃高25倍。

关键技术方法包括：1）基于对称性分析的紧束缚模型构建；2）采用Kubo线性响应理论计算非平衡自旋积累；3）通过密度泛函理论(DFT)结合投影缀加波(PAW)势对CeNiAsO进行电子结构计算；4）利用Wannier函数构建材料特异性紧束缚模型；5）采用4×8×4 k点网格进行布里渊区积分。

主要研究结果

Minimal p-wave model

通过设计具有[C_2⊥||t]自旋对称性的四带紧束缚模型，证实p波磁体可产生奇宇称自旋分裂能带。当交换依赖跃迁参数t_j=0.25t时，计算得到的χ_S^zx响应达0.8?/(V?)，远超3Q反铁磁体模型(0.5??/V)和典型Rashba 2DEG(0.4?/(V?))。

Tight Binding model of p-wave bi-kagome magnet

在Kagome晶格模型中，120°自旋倾斜构型产生强各向异性响应，χ_S^zx最大值出现在E-E_F=-0.1eV处。角度依赖测量显示，电场沿(-√3/2x?+1/2?)方向时出现节点线，这成为p波NREE的特征指纹。

Material candidate: CeNiAsO

对候选材料CeNiAsO的计算显示，其非相对论响应χ_{Szx=13?/V（体积267.50?³），比LuFeO3高25倍。SOC引入的面内极化响应强度仅为NREE的1/10，证实该材料在宽能量窗口内以非相对论机制主导。}

这项研究从根本上拓展了自旋电子学材料的设计范式：p波磁体特有的[C_2⊥||t]自旋对称性强制自旋极化方向垂直于自旋共面平面，产生传统EE无法实现的面外自旋积累；其响应效率比现有体系提高1-2个数量级，为开发基于轻元素的高效自旋扭矩器件奠定基础。研究揭示的奇宇称波磁体与NREE的关联机制，为探索更多非共线磁序系统中的新量子效应提供了理论框架。