本课题组与南方科技大学刘奇航课题组、中国科学院上海微系统与信息技术研究所乔山课题组、上海光源ARPES线站刘正太，黄耀波等合作，首次在稀土氮族碲化物（RePnTe，Re=La, Gd, Ce; Pn=Sb, Bi）家族中观测到一种独特的自旋极化表面态，即悬挂键表面态。该表面态具有显著的自旋分裂，展现出近乎100%的自旋极化和独特的自旋-动量锁定特征。这一发现将首次将“隐藏自旋极化”这一描述三维体态能带局域自旋极化的机制推广到二维表面态，为自旋电子学提供了新的研究方向。相关研究成果发表于《先进材料》 (Advanced Materials 2411733 (2024))。

    2018年以来，本团队与南方科技大学刘奇航团队，广岛大学同步辐射中心Shimada, Okuda团队，上海微系统所乔山团队等合作，在自旋轨道耦合导致的局域隐藏自旋极化领域深化研究。我们从实验上验证了非点式对称性增强的隐藏自旋极化。基于BiOI晶体，我们发现该材料倒空间布里渊区M点附近具备Rashba型自旋纹理，X点附近具备Dresselhaus型自旋纹理，Г点附近自旋极化接近为零。理论分析表面，这种奇特的纹理来源于空间反演对称晶格的层状组成单元所具备的局域对称性缺失，形成了一种“自旋-动量-层”锁定机制（Physical Review Letters 127, 126402 (2021)）。

    本次研究中，我们首次将以上描述三维体态能带的隐藏自旋极化机制推广到二维表面态，在悬挂键表面态中实现了纯化的自旋-轨道纹理，具备接近100%的自旋极化。GdSbTe晶体沿特定方向解理后会形成高度有序且稳定的悬挂键表面态。角分辨光电子能谱（ARPES）实验揭示了这些表面态清晰的能带特征，自旋ARPES进一步验证了其显著的自旋劈裂和高自旋极化度。密度泛函理论（DFT）分析表明，尽管这些表面态由多种轨道组成（以Te的pz轨道为主），但不同轨道贡献的自旋极化方向一致，这种协同作用实现了近乎100%的自旋极化。进一步的实验和理论研究还揭示了这些表面态复杂的自旋-动量纹理：在布里渊区角落附近表现为Rashba型自旋-动量纹理，而在布里渊区边界中心附近则表现为Dresselhaus型纹理，在布里渊区中心没有自旋极化。这种纹理的形成来源于悬挂键局部位置的不对称性，并继承了体材料中的“隐藏自旋极化”特性，形成了一种全新的“自旋-轨道-动量-层锁定”机制。此外，我们还发现，通过元素替代和碱金属沉积可以有效调控表面态的结合能和自旋劈裂能，为利用悬挂键表面态的高自旋极化设计自旋电子学器件提供了可行的路径。