浙江大學(xué)物理學(xué)系研究員鄭毅課題組、教授許祝安及中南大學(xué)物理學(xué)系教授夏慶林等首次在黑砷二維電子態(tài)中發(fā)現(xiàn)了外電場(chǎng)連續(xù)、可逆調(diào)控的強(qiáng)自旋軌道耦合效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)自旋的高速精準(zhǔn)控制。同時(shí)，在全新的自旋—能谷耦合的Rashba物理現(xiàn)象中，他們發(fā)現(xiàn)了新奇的量子霍爾態(tài)。相關(guān)成果5月6日刊發(fā)于《自然》。

自旋是電子作為一種基本粒子攜帶的一個(gè)基本物理量。然而，自旋具有不穩(wěn)定性，就像是一個(gè)向前行進(jìn)的不停旋轉(zhuǎn)的陀螺，受到外力作用(散射)就會(huì)反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)的方向。“要實(shí)現(xiàn)自旋驅(qū)動(dòng)的電子器件，就必須先有效操控自旋的取向，進(jìn)而用自旋閥門來(lái)控制電子的通過(guò)。”鄭毅介紹說(shuō)，“重元素二維材料體系使得電子自旋的高速精準(zhǔn)控制成為可能。電子在晶體周期性勢(shì)場(chǎng)中的軌道運(yùn)動(dòng)會(huì)受到重原子強(qiáng)烈的吸引，在對(duì)稱性破缺的情況下產(chǎn)生自旋和運(yùn)動(dòng)方向的嚴(yán)格鎖定關(guān)系，即自旋軌道耦合效應(yīng)。”

在對(duì)薄層黑砷微納器件的研究中，鄭毅團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，加入外電場(chǎng)時(shí)，黑砷二維電子態(tài)系統(tǒng)的自旋軌道耦合效應(yīng)可連續(xù)、可逆地打開和關(guān)閉。這也為后續(xù)自旋器件的開發(fā)找到了一個(gè)控制電子通行的高速開關(guān)，如將元器件設(shè)置兩個(gè)同向的鐵磁電極，在無(wú)柵壓情況下，注入的電子高速通過(guò)黑砷溝道并保持自旋取向不變;施加外電場(chǎng)后，溝道內(nèi)的電子在自旋軌道耦合作用下發(fā)生自旋旋轉(zhuǎn)而被導(dǎo)出電極所阻擋，實(shí)現(xiàn)自旋電子開關(guān)的功能。

與基于電容效應(yīng)的硅基晶體管相比，上述自旋開關(guān)具有切換速度快、發(fā)熱量少的特點(diǎn)。“未來(lái)，科研人員可以利用自旋軌道耦合實(shí)現(xiàn)高效的自旋調(diào)控，開發(fā)自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管等電子元器件。”談及應(yīng)用前景，鄭毅如是說(shuō)。

在對(duì)黑砷二維電子態(tài)體系的量子輸運(yùn)研究中，課題組還發(fā)現(xiàn)，黑砷體系的自旋軌道耦合呈現(xiàn)獨(dú)特的粒子—空穴不對(duì)稱性，當(dāng)引入空穴時(shí)，會(huì)出現(xiàn)奇特的自旋—能谷耦合的Rashba新物理現(xiàn)象，并在強(qiáng)磁場(chǎng)下出現(xiàn)反常的量子化行為。

關(guān)鍵詞： 電子自旋 高速開關(guān)