近日，南方科技大學物理系、量子科學與工程研究院副教授劉奇航課題組與南京大學教授萬賢綱課題組合作，在通過電子關聯設計輕元素自旋軌道耦合材料這一研究領域取得進展，相關成果以“Designinglight-elementmaterialswithlargeeffectivespin-orbitcoupling”為題發表在期刊《自然·通訊》(NatureCommunications)上。

自旋軌道耦合作用作為一種相對論效應，是研究磁晶各向異性、非共線磁性、自旋霍爾效應、自旋軌道轉矩等現象的核心，緊密聯系著自旋電子學、軌道電子學、拓撲物態等前沿方向。因自旋軌道耦合能量對原子序數的四次冪依賴，人們自然而然選用由重元素（如Bi、Sb、Pb、Pt等）構成的材料作為實現和應用自旋軌道耦合效應的平臺。然而，只選擇重元素的直觀判據強烈壓縮了可用材料庫，而重元素化學鍵能量較弱的問題讓相應材料表現出普遍不穩定性，甚至會使得某些材料具有毒性。因此，是否能在輕元素材料中獲得可觀的自旋軌道耦合效應問題引起了人們的關注。

此前，研究人員直觀地認為電子關聯效應會使能帶電子偏向局域化，而更局域的電子能感受到更強的定域自旋軌道耦合作用，但是該定性觀點難以用于定量研究。2008年的一項研究提出，在非磁性關聯材料Sr2RhO4中，軌道電子間的庫侖作用通過增加有效“自旋-軌道極化”進而增強自旋軌道耦合效應，其導致額外的能級劈裂可以解釋實驗與計算費米面差異問題，為定量研究關聯作用增強自旋軌道耦合效應帶來了新的思考。

研究人員進一步研究了自旋劈裂的3d過渡金屬材料中電子關聯作用增強自旋軌道耦合效應的機制。研究發現，當自旋劈裂電子部分占據了特定的軌道簡并態后，自旋軌道耦合效應正比于“軌道極化”這一物理量；而考慮電子關聯作用后，簡并軌道間的庫侖排斥會增強“軌道極化”量，繼而增加有效的自旋軌道耦合強度，例如拓撲能帶劈裂等。研究人員進而提出具有較強自旋軌道耦合效應的輕元素材料設計準則：（1）三維材料的空間群或二維材料的層群以及相應的Wyckoff位置的對稱性需要足夠高，以容許特定的軌道簡并態；（2）具有較強電子關聯效應的過渡金屬原子需要位于上述的空間群或層群相應的Wyckoff位置上。

研究人員通過群論分析了過渡金屬d軌道電子的簡并情況，發現32個點群中有24個點群允許特定的d軌道電子簡并態，而這24個點群作為原子位群對稱性存在于125個空間群和32個層群中。這種對稱性要求可用于預測材料是否具有關聯效應增強的自旋軌道耦合效應中，因而可以廣泛應用于功能材料的高通量篩選和人工設計等流程。為了更清晰地體現流程的高效性，研究人員使用設計準則結合高通量密度泛函計算方法，從二維計算材料數據庫（C2DB）中全面篩選出71種具有關聯增強的自旋軌道耦合效應的輕元素材料（流程圖如圖1所示）。與此同時，課題組還在71種材料中進一步得到9種大帶隙的量子反常霍爾絕緣體，相較于此前對高溫量子反常霍爾絕緣體的個例預言，該工作為系統設計高溫量子反常霍爾絕緣體提供了新的思路。

圖1. 二維材料數據庫中篩選具有電子關聯增強自旋軌道耦合效應材料的流程

論文共同第一作者為南方科技大學2020級博士研究生李嘉裕、南方科技大學研究助理教授姚秋石以及南京大學2019級博士研究生武琳，劉奇航和萬賢綱為通訊作者，南科大是論文第一單位。本研究得到科技部重點研發計劃青年項目、國家自然科學基金等項目的支持。