科學(xué)家發(fā)現(xiàn)電子自旋操控高速開關(guān) 發(fā)現(xiàn)量子霍爾態(tài)

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)了外電場連續(xù)、可逆調(diào)控的強自旋軌道耦合效應(yīng)，實現(xiàn)了對自旋的高速精準(zhǔn)控制。同時，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基本物理量。然而，自旋具有不穩(wěn)定性，就像是一個向前行進的不停旋轉(zhuǎn)的陀螺，受到外力作用(散射)就會反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)的方向。“要實現(xiàn)自旋驅(qū)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(zhǔn)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(chǎn)生自旋和運動方向的嚴格鎖定關(guān)系，即自旋軌道耦合效應(yīng)。”

在對薄層黑砷微納器件的研究中，鄭毅團隊發(fā)現(xiàn)，加入外電場時，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)找到了一個控制電子通行的高速開關(guān)，如將元器件設(shè)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(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。“未來，科研人員可以利用自旋軌道耦合實現(xiàn)高效的自旋調(diào)控，開發(fā)自旋場效應(yīng)晶體管等電子元器件。”談及應(yīng)用前景，鄭毅如是說。

在對黑砷二維電子態(tài)體系的量子輸運研究中，課題組還發(fā)現(xiàn)，黑砷體系的自旋軌道耦合呈現(xiàn)獨特的粒子—空穴不對稱性，當(dāng)引入空穴時，會出現(xiàn)奇特的自旋—能谷耦合的Rashba新物理現(xiàn)象，并在強磁場下出現(xiàn)反常的量子化行為。(記者崔雪芹)

關(guān)鍵詞： 科學(xué)家 電子 自旋