自旋轨道耦合

自旋轨道耦合 为什么在凝聚态物理学研究中自旋轨道耦合作用如此重要？

自旋轨道耦合作用，英文是Spin Orbital Coupling，简称SOC。

简单来讲，自旋轨道耦合就是自旋磁矩和轨道磁矩通过某种机制耦合在了一起，产生了相互作用。

在这里我们可以不必去看自旋轨道耦合的细节，而从以下两个事实入手：自旋轨道耦合作用会使原子能级产生分裂，出现能级的精细结构；一般来讲，原子序数越大，即原子越重，自旋轨道耦合作用越强。

首先我们来看第一点，自旋轨道耦合使能级产生了分裂。

这种分裂为什么重要呢？如果我们不考虑自旋轨道耦合，不同的自旋态之间的能级是简并的。

对于凝聚态的体系则经常说自旋向上和自旋向下的能带是简并的。

如果我们加入自旋轨道耦合作用，自旋将不再是一个好量子数。

这种情况下不同自旋态之间的简并便有可能被消除。

消除自旋态的简并需要什么条件呢？那就是打破某些对称性，用专业术语来讲就是让对称性产生破缺。

对称性破缺是物理学上一个很重要的概念，在物理学的许多领域都有应用。

对应于凝聚态领域，我们可以想象这样一种情况：水在温度足够低时会变成冰，如果条件合适便会变成冰晶体。

我们可以认为水是各向同性的，但冰不是。

因此水变成冰的过程就是一个对称性破缺的过程：冰的对称性要低于水。

回到正题，要消除自旋态的简并需要打破什么对称性呢？这里需要一些固体物理中的知识。

对于一个晶体而言，如果它具有空间反演对称性，那么自旋相同、动量相反的两个态能量是相同的；如果考虑时间反演对称性，那么动量相反、自旋相反的两个态能量也是相同的。

由此可以得出，如果一个系统同时具有空间反演对称性和时间反演对称性，那么动量相同、自旋相反的两个态能量便是相同的，这就是我们说的自旋态简并的情况。

所以要打破自旋的简并态便产生了两种思路：一种是破缺时间反应对称，另一种是破缺空间反演对称。

前者我们可以通过给一个体系施加磁场实现，后者，即破缺空间反演对称则可以通过自旋轨道耦合相互作用。

更细致地来分，自旋轨道耦合还可以分为Rashba类型和Dressalhauss类型，这里就不再细说了。

图1. 凝聚态物理学家Dressalhauss自旋轨道耦合本身是考虑了相对论之后的结果，因此是一种相对论效应。

这在理论上首先是很重要的。

其次在实验上，自旋轨道耦合可以实现自旋态的退简并，从而可以让我们看到不同自旋的贡献，同时还可以产生一些有趣的自旋结构以及它们所带来的有趣物理现象，一些新型拓扑材料的发现、自选逻辑器件的研究以及Skymion的研究都需要引入自旋轨道耦合的概念，这给现代的凝聚态带来了很大的丰富性以及各种各样的可能性。

图2. 自旋轨道耦合带来的丰富物理现象那么什么样的材料可能具有自旋轨道耦合作用呢？这就是我们最开始说的第二点，越重的元素自旋轨道耦合作用越强，所以凝聚态的研究有这样一种趋势就是向重元素发展，向重元素之间的化合物发展。

初衷之一就是看看自旋轨道耦合会不会带来一些意想不到的现象。

肯定重要。

首先牵扯到对引力和相对微斥力。

在爱因斯坦的凝结假设中就有大纲和前提。

二十世纪的自然科学杂志有过德国的论文分析，当时还是德国二战军事研究所的著作，因为往武器靠拢后期就没有再去研究。

在凝态物理学中首先遵循液化升华原则，在变化时自旋耦合就起作用了。

看到你们现在你们研究这个很开心，国家力量民族有希望。

核心最后要说的是没有这个轨道他不就跑偏了吗。

哎编累了