4d 与 5d 过渡金属中本征自旋霍尔效应与轨道霍尔效应的研究

基于海军研究实验室紧束缚模型，我们研究了多种 5d 过渡金属（Ta、W、Re、Os、Ir、Pt 和 Au）及 4d 过渡金属（Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd 和 Ag）中的本征自旋霍尔电导率（SHC），该模型使我们能够进行定量可靠的分析。在每种金属中，所得到的本征 SHC 在低电阻率区域（$\rho < 50 \mu\Omega\text{cm}$）与电阻率无关，而在高电阻率区域则按 $\rho^{-2}$ 比例减小。在低电阻率区域，Pt 和 Pd 的 SHC 呈现较大的正值，这两种金属每个离子均具有约九个 $d$ 电子（$n_d=9$）。另一方面，在 $n_d<5$ 的 Ta、Nb、W 和 Mo 中，SHC 呈现较大的负值。在过渡金属中，传导电子获得了一个源自原子波函数的依赖于轨迹的相位因子。该相位因子类似于 Aharonov-Bohm 相位，它是顺磁金属中 SHC 的起源，也是铁磁金属中反常霍尔电导率的起源。此外，每种过渡金属均显示出巨大且为正的 $d$ 轨道霍尔电导率（OHC），且与自旋 - 轨道相互作用（SOI）的强度无关。由于 OHC 远大于 SHC，因此有可能实现由过渡金属制成的{\it 轨道电子学器件}。