Beyond spin-1/2: 非中心对称晶体中的多极子自旋轨道耦合与时反演对称性

我们在时间反演对称、非中心对称的 $C_{3v}$ 晶体的bulk $\Gamma$ 点附近发展出一种符合强自旋轨道耦合($jj$-耦合)极限下的对称适应的多极子 $\mathbf{k}\cdot\mathbf{p}$ 理论。采用 $j\in\{1/2,3/2,5/2\}$ 的多重态基底，适用于重元素 $p$ 和 $d$ 能带，系统构建出高阶动量项下所有对称允许的自旋轨道耦合项，并将常规自旋纹理推广为总角动量纹理。对于 $j>1/2$，多极子自旋轨道耦合会定性地重塑费米面，使 Bloch 态的拓扑结构随能带而异。这导致超越单一 Rashba 螺旋的各向异性高 $j$ 纹理。我们按每个能带的总角动量旋流系数 $W_{n}$ 对这些纹理进行分类，识别出 $|W_{n}|=1,2,5$ 的不同相位。我们指出，这些相位的交叉会在调节化学势时，增强且呈非单调性地影响电流诱导的自旋极化响应，即 Edelstein 效应。我们的结果为分析和预测无中心对称重元素材料中的多极子自旋轨道耦合、总角动量纹理及自旋电子学响应提供了对称性基础框架。