非中心对称晶体中对称性保护的持久自旋纹理的普适性研究

本研究针对自旋电子学领域的关键挑战——如何在非磁性材料中实现长寿命自旋态，通过系统分析138种非中心对称空间群，首次揭示持久自旋纹理(PST)在除P1群外所有非中心对称晶体中的普适存在。研究人员结合群论分析与第一性原理计算，发现对称性保护的PST可分为I型(非简并能带)和II型(简并能带)，并在Be5Pt、BaAs2等材料中验证了其鲁棒性，为设计新型自旋电子器件提供了理论框架。该成果发表于《Nature Communications》，为突破自旋弛豫限制开辟了新途径。

　　

在自旋电子学领域，如何实现长寿命的自旋态一直是科学家们面临的重大挑战。传统上，人们依赖铁磁材料或强自旋轨道耦合(SOC)的非磁性金属（如Pt）来产生自旋极化，但这些方法分别受到杂散磁场和快速自旋弛豫的限制。而像石墨烯这样SOC较弱的材料虽能实现长程自旋传输，却难以控制自旋的产生和操纵。近年来，持久自旋纹理(PST)——即自旋极化与动量无关的特殊量子态——因其能极大延长自旋寿命而备受关注，但此前仅在某些特殊对称性的材料中被零星发现，缺乏系统性认知。

为破解这一难题，由Berkay Kilic、Sergio Alvarruiz等组成的国际团队在《Nature Communications》发表了开创性研究。他们通过群论分析结合第一性原理计算，系统考察了所有非中心对称空间群，惊人地发现PST实际上是这类材料的普适特性——除最简单的P1空间群外，所有非中心对称晶体都存在对称性保护的PST。这一发现彻底改变了人们对PST稀缺性的传统认知。

研究主要采用三种关键技术：1) 基于双灰色群不可约表示理论（考虑时间反演对称性）的系统性对称性分析；2) 使用Quantum ESPRESSO软件包进行全相对论密度泛函理论(DFT)计算；3) 通过PAOFLOW代码处理自旋纹理和自旋霍尔电导。研究材料包括立方晶系Be₅Pt（SG 216）、单斜晶系BaAs₂（SG 7）和手性立方晶体OsSi（SG 198）等代表性体系。

群论分析揭示PST普适性

通过建立核心方程?σ_α'?_ij=∑D_ik(g)D_jk'*(g)?σ_α?_kk'，团队发现晶体对称性对自旋极化施加严格约束。例如，二重旋转对称性会强制自旋极化平行于转轴（?σ_x,y?=0），而镜面对称性则要求自旋垂直于镜面。这种分析将PST分为两类：I型存在于非简并能带，如Be₅Pt中沿XW线的x方向自旋极化；II型则出现在具有特定对称性表示的简并能带，如OsSi中X点附近的y方向自旋极化。

第一性原理验证材料案例

在Be₅Pt中，导带最小值（CBM）位于W点，显示出205 meV的巨大自旋分裂。如图2所示，其"雪茄状"等能面在50 meV范围内保持稳定的x方向自旋纹理。而单斜晶系BaAs₂的价带顶（VBM）在ΓYX平面呈现全平面y方向PST（图3），仅在能带交叉处出现扰动。最具启示性的是手性材料OsSi（图4），其X点附近的II型PST由二重螺旋旋转对称性保护，即使存在能带简并也不破坏自旋单向性——这一特性对基于Rashba-Edelstein效应的自旋传输至关重要。

结论与展望

该研究建立了非中心对称晶体中PST的完整对称性分类框架，证明这一现象远比此前认知的更普遍。其重要意义在于：1) 突破了传统自旋材料的设计局限，将候选体系从少数特殊对称性扩展到几乎所有非中心对称晶体；2) 提出的II型PST机制为在简并能带中保持自旋单向性提供了新思路；3) 预测的Be₅Pt等材料兼具大自旋分裂（>200 meV）和稳定PST，有望实现室温应用。

这项工作不仅为自旋电子学器件开发指明了新材料方向，其基于表示论的方法还可推广至阿尔特磁体(Altermagnets)等更广泛的磁性体系。正如门捷列夫周期表不仅分类元素更能预测新物质，这项研究建立的对称性规则将成为探索量子自旋世界的重要指南，推动实现高效、低能耗的自旋电子器件。