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浙江大學科研人員發(fā)現(xiàn)電子自旋操控的高速開關 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(nèi)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(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。”鄭毅研究員介紹說：“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。” 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(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(diào)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。  圖1.自旋電子器件 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(zhuǎn)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?qū)α孔佑嬎愕男畔⒈４娈a(chǎn)生積極的推動作用。”  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(diào)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(diào)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(jié)構(gòu)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(zhì)量結(jié)果。“做科研的初心是探究未知，做科研的動力則是好奇心。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。” 論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03449-8 |
