KTaO$_3$(110)二维电子气中的轨道与自旋埃德尔斯坦效应
Orbital and Spin Edelstein Effects in KTaO$_3$(110) Two-Dimensional Electron Gases
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中文总结 AI 辅助
本文针对KTaO$_3$(110)二维电子气，结合实验与理论，证实轨道埃德尔斯坦效应可抵消自旋对应物，确立其为轨道电子学模型平台，为量子氧化物轨道极化研究提供路径。
中文摘要 AI 辅助
轨道埃德尔斯坦效应可将电场转化为非平衡轨道极化，为轨道电子学开辟新机遇。尽管已有轨道埃德尔斯坦效应的相关信号报道，但其微观机制与定量验证仍未得到充分探究。本文通过将KTaO$_3$(110)二维电子气的原子结构与其计算及实测的电子能带色散直接关联，预测并提供了轨道埃德尔斯坦效应的实验证据，该效应在很大程度上抵消了其自旋对应物的作用。利用扫描透射电子显微镜与电子能量损失谱解析界面原子构型，将其作为密度泛函计算的输入；随后角分辨光电子能谱验证了所得能带结构，该结构通过紧束缚模型拟合，可用于计算自旋与轨道埃德尔斯坦响应。谐波磁输运表明，为描述该效应的幅度与各向异性，需轨道埃德尔斯坦响应贡献约20%。研究结果确立KTaO$_3$(110)为轨道电子学的模型平台，为量子氧化物体系中轨道极化的产生与利用建立了路径，同时为其超导态的配对机制提供新见解。
英文摘要
The orbital Edelstein effect converts an electric field into a non-equilibrium orbital polarization, opening new opportunities for orbitronics. Although signatures of the orbital Edelstein effect have been reported, its microscopic mechanisms and quantitative validation remain underexplored. Here, by directly linking the atomic structure of KTaO$_3$(110) two-dimensional electron gases to both their calculated and measured electronic band dispersions, we predict and provide experimental evidence for an orbital Edelstein effect that largely counterbalances its spin counterpart. Scanning transmission electron microscopy and electron energy-loss spectroscopy resolve the interfacial atomic configuration, which is used as input for density-functional calculations. Angle-resolved photoemission spectroscopy then confirms the resulting band structure, which is fitted by a tight-binding model enabling computation of the spin and orbital Edelstein responses. Harmonic magnetotransport indicates that a $\sim$20 \% contribution from the orbital Edelstein response is necessary to describe the magnitude and anisotropy of the effect. Our results establish KTaO$_3$(110) as a model platform for orbitronics and demonstrate a pathway to generate and harness orbital polarization in quantum oxide systems while also offering new insights into pairing mechanisms in their superconducting state.
发表机构
- Laboratoire Albert Fert, CNRS, Thales, Université Paris-Saclay（阿尔伯特·费尔特实验室）
- Laboratoire de Physique et d’Etude des Matériaux, ESPCI Paris, Université PSL, CNRS（物理与材料研究实验室，巴黎高等物理化工学院）
- Laboratoire de Physique des Solides, CNRS, Université Paris-Saclay（固体物理实验室）
- Saha Institute of Nuclear Physics（萨哈核物理研究所）
- Institute of Physics, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg（马丁·路德·哈雷-维滕贝格大学物理研究所）
- Spintec, Université Grenoble Alpes/CNRS/CEA（自旋电子学实验室）
- Laboratoire de Physique de l’École Normale Supérieure, ENS, Université PSL, CNRS, Sorbonne Université, Université Paris Cité（巴黎高等师范学院物理实验室）
- Synchrotron SOLEIL（SOLEIL同步辐射中心）
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