浙江大學物理學系研究員鄭毅課題組、教授許祝安及中南大學物理學系教授夏慶林等首次在黑砷二維電子態中發現了外電場連續、可逆調控的強自旋軌道耦合效應，實現了對自旋的高速精準控制。同時，在全新的自旋—能谷耦合的Rashba物理現象中，他們發現了新奇的量子霍爾態。相關成果5月6日刊發于《自然》。
自旋是電子作為一種基本粒子攜帶的一個基本物理量。然而，自旋具有不穩定性，就像是一個向前行進的不停旋轉的陀螺，受到外力作用（散射）就會反轉旋轉的方向。“要實現自旋驅動的電子器件，就必須先有效操控自旋的取向，進而用自旋閥門來控制電子的通過。”鄭毅介紹說，“重元素二維材料體系使得電子自旋的高速精準控制成為可能。電子在晶體周期性勢場中的軌道運動會受到重原子強烈的吸引，在對稱性破缺的情況下產生自旋和運動方向的嚴格鎖定關系，即自旋軌道耦合效應。”
在對薄層黑砷微納器件的研究中，鄭毅團隊發現，加入外電場時，黑砷二維電子態系統的自旋軌道耦合效應可連續、可逆地打開和關閉。這也為后續自旋器件的開發找到了一個控制電子通行的高速開關，如將元器件設置兩個同向的鐵磁電極，在無柵壓情況下，注入的電子高速通過黑砷溝道并保持自旋取向不變；施加外電場后，溝道內的電子在自旋軌道耦合作用下發生自旋旋轉而被導出電極所阻擋，實現自旋電子開關的功能。
與基于電容效應的硅基晶體管相比，上述自旋開關具有切換速度快、發熱量少的特點。“未來，科研人員可以利用自旋軌道耦合實現高效的自旋調控，開發自旋場效應晶體管等電子元器件。”談及應用前景，鄭毅如是說。
在對黑砷二維電子態體系的量子輸運研究中，課題組還發現，黑砷體系的自旋軌道耦合呈現獨特的粒子—空穴不對稱性，當引入空穴時，會出現奇特的自旋—能谷耦合的Rashba新物理現象，并在強磁場下出現反常的量子化行為。
（記者崔雪芹）
免責聲明：市場有風險，選擇需謹慎！此文僅供參考，不作買賣依據。
上一篇：為了那束“最亮的光”
