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Spin-orbital magnetic response of relativistic fermions with band hybridization

バンド混成した相対論的フェルミオンにおけるスピン-軌道磁気応答

荒木 康史  ; 末永 大輝*; 鈴木 渓 ; 安井 繁宏*

Araki, Yasufumi; Suenaga, Daiki*; Suzuki, Kei; Yasui, Shigehiro*

相対論的フェルミオンのスピンは軌道自由度と強い相関を持つ。このような相対論的粒子と非相対論的粒子が混在する場合の効果として、本研究ではスピン-軌道帯磁率に着目する。スピン-軌道帯磁率は軌道磁場(粒子の軌道運動に対してベクトルポテンシャルとして働く磁場の効果)に対するスピン偏極の応答として定義されるものであり、スピン-軌道相互作用に起因するものである。理論解析の結果、相対論的粒子と非相対論的粒子の混成がある場合、スピン-軌道帯磁率はバンド混成点近傍のフェルミエネルギーで変化することが示された。この混成効果により、磁場下では非相対論的粒子のスピン偏極も誘起されることが明らかになった。さらにこの混成効果は、熱平衡を破るような動的な磁場の摂動下では増強されることを明らかにした。スピン-軌道帯磁率に対するこれらの効果は、固体中のディラック電子に対する結晶対称性の破れや不純物ドープ、および相対論的重イオン衝突における軽いクォークと重いクォークの混成といった状況下で、実験的に実現されうることを議論する。

Spins of relativistic fermions are related to their orbital degrees of freedom. In order to quantify the effect of hybridization between relativistic and nonrelativistic degrees of freedom on spin-orbit coupling, we focus on the spin-orbital (SO) crossed susceptibility arising from spin-orbit coupling. The SO crossed susceptibility is defined as the response function of their spin polarization to the ``orbital'' magnetic field, namely the effect of magnetic field on the orbital motion of particles as the vector potential. Once relativistic and nonrelativistic fermions are hybridized, their SO crossed susceptibility gets modified at the Fermi energy around the band hybridization point, leading to spin polarization of nonrelativistic fermions as well. These effects are enhanced under a dynamical magnetic field that violates thermal equilibrium, arising from the interband process permitted by the band hybridization. Its experimental realization is discussed for Dirac electrons in solids with slight breaking of crystalline symmetry or doping, and also for quark matter including dilute heavy quarks strongly hybridized with light quarks, arising in a relativistic heavy-ion collision process.

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