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(tài)中發(fā)現(xiàn)了外電場連續(xù)、可逆調控的強自旋軌道耦合效應，實現(xiàn)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(xiàn)象中，他們發(fā)現(xiàn)了新奇的量子霍爾態(tài)。相關成果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的陀螺，受到外力作用(散射)就會反轉旋轉的方向。“要實現(xiàn)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(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可連續(xù)、可逆地打開和關閉。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，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(fā)生自旋旋轉而被導出電極所阻擋，實現(xiàn)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(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)高效的自旋調控，開發(fā)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(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。

關鍵詞： 電子自旋 高速開關