黑砷量子霍尔器件

课题组在开展实验研究

如何操控电子自旋，研制速度更快、能耗更低的电子器件是上世纪90年代以来app和工程领域孜孜追求的目标。

5月6日，浙江大学物理学系研究员郑毅课题组、教授许祝安及中南大学物理学系教授夏庆林等取得重要突破，首次在黑砷二维电子态中发现了外电场连续、可逆调控的强自旋轨道耦合效应，实现了对自旋的高速精准控制，相关成果刊发于《自然》。

同时，他们在全新的自旋-能谷耦合的Rashba物理现象中，发现了新奇的量子霍尔态。该研究将为高效率、低能耗自旋电子器件研制提供坚实基础，对进一步加深量子霍尔现象的理解，以及依托拓扑超导器件的量子计算研究具有积极意义。

在谈及对这一新物理现象的意义时, 郑毅介绍道：“在对未知领域的探索中，能够发现一种教科书上没有的崭新现象，是让人非常激动的事。新奇量子霍尔态的发现不仅是物理学家的梦想，还有可能成为拓扑量子计算的重要载体，未来或将对量子计算的信息保存产生积极的推动作用。”

自旋的不稳定，好比是一个向前行进的不停旋转的陀螺，受到外力作用（散射）就会反转旋转的方向。“要实现自旋驱动的电子器件，就必须先有效地操控自旋的取向，进而就可以用自旋阀门来控制电子的通过与否。”郑毅介绍说：“重元素二维材料体系使得电子自旋的高速精准控制成为可能。电子在晶体周期性势场中的轨道运动会受到重原子对其强烈的吸引，在对称性破缺的情况下产生自旋和运动方向的严格锁定关系，即自旋轨道耦合效应。”

郑毅团队在对薄层黑砷微纳器件的研究中，成功发现加入外电场时，黑砷二维电子态系统的自旋轨道耦合效应可连续、可逆的打开和关闭。这也为后续自旋器件的开发找到了一个控制电子通行的高速开关，如将元器件设置两个同向的铁磁电极，无栅压情况下，注入的电子高速通过黑砷沟道并保持自旋取向不变；施加外电场后，沟道内的电子在自旋轨道耦合作用下发生自旋旋转而被导出电极所阻挡，实现自旋电子开关的功能。

与基于电容效应的硅基晶体管相比，上述自旋开关具有切换速度快、发热量少的特点。“未来，科研人员可以利用自旋轨道耦合实现高效的自旋调控，开发自旋场效应晶体管等电子元器件。”谈及应用前景，郑毅如是说。

自旋轨道耦合效应在晶体中通常呈现为自旋劈裂的Rashba表面态，在倒格矢空间（-space）中以零（G点）为中心形成正负倒格矢对称，但自旋相反的两套Rashba能带。在对黑砷二维电子态体系的量子输运研究中，郑毅课题组发现，黑砷体系的自旋轨道耦合呈现独特的粒子-空穴不对称性：电子掺杂时，自旋轨道耦合的打开对应传统的G-Rashba；而当引入空穴时，会出现奇特的自旋-能谷耦合的Rashba新物理，并在强磁场下出现反常的量子化行为。

目前，黑砷晶体很难人工合成，需要从天然的伴生矿石中挑选，再手工解理出纳米厚度的二维薄膜。“这是一个异常复杂和繁琐的制备过程，为了得到复杂三明治结构的微纳米器件，技巧和耐心缺一不可，经常一周时间才能得到一个完全工作的器件。”郑毅说。

相关论文信息：http://doi.org/10.1038/s41586-021-03449-8