隐藏在宏观对称性中的局部极化现象的基础研究

Some physical effects in crystals and molecules require for their existence a specific and sufficiently low symmetry. For example, various effects, such as ferroelectricity, optical activity and spin splitting in nonmagnetic materials, require the absence of inversion center. Here we consider a type of systems where the individual sub–units making up the crystal or molecule have a sufficiently low local symmetry (e.g., no inversion symmetry), yet the combination of such individual sectors creates a higher global symmetry (e.g., inversion symmetry). In such systems, there exists a so-called “Hidden Polarization”, i.e., the said effect does exist even when the nominal global symmetry would disallow it, due to the local symmetry breaking. For example, nonmagnetic spin splitting is recently theoretically predicted and experimentally confirmed in a number of materials with inversion symmetry such as WSe2 and LaOBiS2. We plan to expand the concept of “hidden polarization” (first proposed by our team in 2014) to various physical phenomena, and look for material candidates with strong hidden polarization and their potential applications through first-principle calculations. We are interested in particularly polarization effects in electronics, optics and spin, including ferroelectricity, optical activity, spin splitting and topological transition, etc. This project not only provides us revolutionary thinking on the relationship between symmetry and property, but also opens the door for searching novel materials in a far broader range than previously thought possible.

在晶体或分子系统中，很多物理现象的存在需要系统有足够低的宏观对称性。例如铁电性、光学活性、以及非磁材料中的自旋极化等性质都需要中心反演对称性的破缺。这里我们考虑广泛存在的一类凝聚态物理系统，他们具有局部的低对称性（例如无中心反演），但同时整体上具有高对称性（例如有中心反演）。在这类体系中存在一种由局部对称性破缺导致的“隐藏极化”现象，例如最近理论预言并被实验证实的具有非磁性自旋极化的中心对称材料WSe2，LaOBiS2等。申请者计划扩展于2014年首次提出的“隐藏极化”概念至多种不同的物理现象，并通过第一性原理计算的方法研究这些系统研究这些现象的基本性质以及寻找具有强隐藏自旋极化性质的材料。计划研究的极化现象主要包括自旋极化，同时考虑电学、光学等方向，如铁电性，光学活性，自旋劈裂，拓扑相变等。该项目不仅可以提供对称性与物性关系的新思考，还能有效扩大已有的该物性的可选材范围。

在晶体或分子系统中，很多物理现象的存在需要系统有足够低的宏观对称性。例如铁电性，光学活性，以及非磁材料中的自旋极化等性质都需要中心反演对称性的破缺。2014年，我们预言了广泛存在的一类凝聚态物理系统，他们具有局部的低对称性(例如无中心反演)，但同时整体上具有高对称性(例如有中心反演)。在这类体系中存在一种由局部对称性破缺导致的“隐藏极化”现象。.本项目致力于研究由自旋轨道耦合导致的，具有强隐藏自旋极化效应的材料的设计方案，以及将“隐藏极化”的概念从非磁材料推广至磁性材料并探索其应用。主要研究成果包括：.(1) 通过引入非点式空间群对称性在布里渊区边界处实现对称性保护的强隐藏自旋极化，并通过第一性原理计算预测出上百种满足这一效应的材料 [CPL Express Letter 37, 087105 (2020)]；随后联合实验合作者选取 BiOI 这一层状材料，通过自旋角分辨光电子能谱验证了上述理论，以及一类崭新的对称性诱导自旋-动量-层锁定（Spin-Momentum-Layer Locking）的现象，即量子材料中自旋，轨道及晶格的联合耦合方式 [PRL 127, 126402 (2021)]。.(2) 提出了利用隐藏自旋极化耦合另一个空间上奇函数分布的物理性质，如反铁磁聂耳序，可以在不破坏材料宏观对称性的情况下获得宏观可测量的物理量，并据此预言了反铁磁材料（如CuMnAs）由隐藏自旋极化引起的非互易非线性电流输运现象 [PRL 129, 276601 (2022)]。.(3) 预言反铁磁材料中由于隐藏贝里曲率导致的空间分辨的反常霍尔效应，并以此作为轴子绝缘体相的可观测实验证据，预言了磁性拓扑材料MnBi2Te4的手性边界态 [Nat. Commun. 12, 3524 (2021)]；我们还将本征磁性拓扑材料 MnBi2Te4 推广至具有 MnBi2Te4/(Bi2Te3)n 构型的体系，并提出了基于该体系实现低磁场下量子反常霍尔效应的方案 [PRL 123, 096401 (2019)]。.本项目对于凝聚态物理基础研究的科学意义主要包括：有效扩大自旋极化材料的可选择材料范围；扩展了隐藏自旋极化的应用范围，如反铁磁自旋电子学中反铁磁序的探测；提出了更普适的科学问题：具有较高整体对称性的材料能否显现低对称性允许的物理现象，并开启了国际上对于该问题的广泛研究。