Forschung: Beobachtung eines kubischen Rashba-Effekts in der Oberflächensp­instruktur ternärer Seltenerdmate­rialien

In dieser Arbeit zeigen wir, dass die Spinstruktur des elektronischen Oberflächen-zustands, der auf der Si-terminierten Oberfläche des  Antiferromagneten TbRh₂Si₂ auftritt, eine ungewöhnliche Spintextur aufweist, die durch eine dreifache Windung des Elektronenspins entlang der vierfach-symmetrischen Konturen konstanter Energie gekennzeichnet ist. Der Oberflächenzustand breitet sich über vier Atomlagen aus, die den nicht-zentrosymmetrischen Oberflächenblock Si-Rh-Si-Tb bilden. Dort unterliegt dieser 2D-Zustand sowohl der Spin-Bahnkopplung durch die Rh-Atome als auch der magnetischen Austauschwechselwirkung mit den geordneten magnetischen Tb 4f Momenten.

Wir beobachten, dass die Spin-Bahn-Wechselwirkung an den Rh-Atomen zu einer in der Oberflächenebene liegenden Kopplung des Spins mit dem Wellenvektor  in Form einer dreifachen Windung der Elektronenspins führt, die durch einen exotischen kubischen Rashba-Mechanismus verursacht wird. Dessen wesentliche Eigenschaft ist eine schnelle Rotation des Elektronenspins entlang der Fermi-Fläche, die dreimal schneller ist als beim klassischen Rashba-Effekt.

Diese exotische Spinstruktur überlebt offensichtlich den Übergang des Materials von der paramagnetischen (PM) in die antiferromagnetische (AFM) Phase und bleibt dabei unverändert. In der AFM-Phase werden die magnetischen Tb 4f Momente senkrecht zur Oberfläche ausgerichtet und erzeugen ein starkes Austauschmagnetfeld. Die dreifache Windung der Elektronenspins innerhalb der Oberflächenebene erweist sich als ziemlich robust, obwohl die Spin-Bahnkopplung an den Rh-Atomen wesentlich schwächer ist als das Austauschfeld der magnetischen Tb 4f Momente außerhalb der Ebene.

Unsere spin- und winkelaufgelösten Photoemissionsmessungen werden mit Berechnungen des Spin-Photostroms im Rahmen einer ab-initio-„one stepp“-Theorie der Photoemission verglichen, die die erhaltenen Ergebnisse voll unterstützen. Zusätzlich haben wir ein relativistisches k.p.-Modell entwickelt, das beweist, dass das ungewöhnliche Spinmuster von einem kubischen Rashba-Effekt herrührt und dass unsere Ergebnisse einem breiten Publikum verständlich macht.

D. Yu. Usachov, I. A. Nechaev, G. Poelchen, M. Güttler, E. E. Krasovskii, S. Schulz, A. Generalov, K. Kliemt, A. Kraiker, C. Krellner, K. Kummer, S. Danzenbächer, C. Laubschat, A. P. Weber, J. Sánchez-Barriga, E. V. Chulkov, A. F. Santander-Syro, T. Imai, K. Miyamoto, T. Okuda, D. V. Vyalikh,
Cubic Rashba Effect in the Surface Spin Structure of Rare-Earth Ternary Materials,
Phys. Rev. Lett. 124, 237202 (2020)