電子是我們日常生活最熟悉的“陌生人”：每個電子攜帶一份內稟的電荷，其集體運動產(chǎn)生的電流驅動了照明、晶體管以及各種電子設備的運行。然而作為一種基本粒子，電子還攜帶另外一個基本物理量，即自旋。如何操控自旋，研制速度更快、能耗更低的電子器件是自上世紀90年代以來科學和工程領域孜孜追求的目標。
近日，浙江大學物理學系鄭毅研究員的課題組取得重要突破，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，發(fā)現(xiàn)了新奇的量子霍爾態(tài)。該研究將對高效率、低能耗自旋電子器件研制提供堅實基礎，對進一步加深量子霍爾現(xiàn)象的理解，以及依托拓撲超導器件的量子計算研究具有積極意義。
北京時間5月6日，這項研究在線刊發(fā)在國際頂級期刊《自然》，論文共同第一作者是浙江大學物理學系的博士研究生盛峰、華陳強、程滿，主通訊作者是浙江大學物理學系鄭毅研究員；另外兩名合作通訊作者分別是中南大學的夏慶林教授和浙大物理學系的許祝安教授。
自旋操控新閥門
常見的晶體管運行，通過場效應在溝道中注入和抽離電荷實現(xiàn)開關。但作為與電荷具有同等內稟地位的自旋卻極容易受到干擾，無法簡單地生成運動控制閥門。
自旋的這種不穩(wěn)定，好比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?！耙獙崿F(xiàn)自旋驅動的電子器件，就必須先有效地操控自旋的取向，進而就可以用自旋閥門來控制電子的通過與否?！编嵰阊芯繂T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對其強烈的吸引，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系，即自旋軌道耦合效應?！?/span>
鄭毅團隊在對薄層黑砷微納器件的研究中，成功發(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)、可逆的打開和關閉。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，如將示意圖1中的元器件設置兩個同向的鐵磁電極，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?！拔磥恚蒲腥藛T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。
Rashba物理的新“味”
自旋軌道耦合效應在晶體中通常呈現(xiàn)為自旋劈裂的Rashba表面態(tài)，在倒格矢空間（-space）中以零（?點）為中心形成正負倒格矢對稱，但自旋相反的兩套Rashba能帶（如圖2左所示）。在對黑砷二維電子態(tài)體系的量子輸運研究中，鄭毅課題組發(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：電子摻雜時，自旋軌道耦合的打開對應傳統(tǒng)的?-Rashba；而當引入空穴時，會出現(xiàn)奇特的自旋-能谷耦合的Rashba新物理(如圖2右所示），并在強磁場下出現(xiàn)反常的量子化行為：其霍爾臺階()中的系數(shù)，既填充因子會出現(xiàn)自旋-能谷耦合Rashba能谷量子化所特有的偶-奇轉變（圖3）。
圖2 黑砷粒子-空穴不對稱Rashba能帶
圖3 帶“味”Rashba能谷的量子化行為
“黑砷空穴Rashba能谷的描述，需要自旋（）和能谷（）兩個量子數(shù)，在-空間形成兩種‘味’（）的自旋相反Rashba能帶！”在談及對這一新物理現(xiàn)象的意義時, 鄭毅介紹道：“在對未知領域的探索中，能夠發(fā)現(xiàn)一種教科書上沒有的嶄新現(xiàn)象，是讓人非常激動的事。新奇量子霍爾態(tài)的發(fā)現(xiàn)不僅是物理學家的夢想，還有可能成為拓撲量子計算的重要載體，未來或將對量子計算的信息保存產(chǎn)生積極的推動作用?！?/span>
圖4 黑砷量子霍爾器件
五年如一日的堅守
科學界一直在尋找可以高效調控自旋軌道耦合效應的量子體系，為何鄭毅課題組找到了呢？他們開玩笑地說，1%的直覺+99%的運氣！鄭毅解釋道：“1%的直覺，指的是在確定‘重元素二維體系的自旋軌道耦合調控’的研究主題后，要從幾百種已知的二維材料中‘準確’地挑選1-2個體系；而99%的運氣背后是夯實的專業(yè)以及不為人知的努力。目前，黑砷晶體很難人工合成，需要從天然的伴生礦石中挑選，再手工解理出納米厚度的二維薄膜。這是一個異常復雜和繁瑣的制備過程，為了得到復雜三明治結構的微納米器件，技巧和耐心缺一不可，經(jīng)常一周時間才能得到一個完全工作的器件。”
在這項工作中，第一作者盛峰默默堅持了五年，他把每一個細節(jié)都做到極致，堅信高標準高要求才能獲得高質量結果?！白隹蒲械某跣氖翘骄课粗隹蒲械膭恿t是好奇心。熱愛并堅持，才能走的更遠！希望浙大的學生對自己有信心，做最好的自己！”鄭毅贊嘆道，“最后，必須要感謝一下我們優(yōu)秀的合作者們?！?/span>
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03449-8
（文 柯溢能/攝影 盧紹慶 科研圖片由受訪團隊提供）
