電子是我們?nèi)粘Ｉ钭钍煜さ摹澳吧恕保好總€(gè)電子攜帶一份內(nèi)稟的電荷，其集體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流驅(qū)動(dòng)了照明、晶體管以及各種電子設(shè)備的運(yùn)行。然而作為一種基本粒子，電子還攜帶另外一個(gè)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(jì)90年代以來科學(xué)和工程領(lǐng)域孜孜追求的目標(biāo)。
近日，浙江大學(xué)物理學(xué)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(chǎng)連續(xù)、可逆調(diào)控的強(qiáng)自旋軌道耦合效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)自旋的高速精準(zhǔn)控制；同時(shí)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(duì)高效率、低能耗自旋電子器件研制提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，對(duì)進(jìn)一步加深量子霍爾現(xiàn)象的理解，以及依托拓?fù)涑瑢?dǎo)器件的量子計(jì)算研究具有積極意義。
北京時(shí)間5月6日，這項(xiàng)研究在線刊發(fā)在國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》，論文共同第一作者是浙江大學(xué)物理學(xué)系的博士研究生盛峰、華陳強(qiáng)、程滿，主通訊作者是浙江大學(xué)物理學(xué)系鄭毅研究員；另外兩名合作通訊作者分別是中南大學(xué)的夏慶林教授和浙大物理學(xué)系的許祝安教授。
自旋操控新閥門
常見的晶體管運(yùn)行，通過場(chǎng)效應(yīng)在溝道中注入和抽離電荷實(shí)現(xiàn)開關(guān)。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(jiǎn)單地生成運(yùn)動(dòng)控制閥門。
自旋的這種不穩(wěn)定，好比是一個(gè)向前行進(jìn)的不停旋轉(zhuǎn)的陀螺，受到外力作用（散射）就會(huì)反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)的方向?！耙獙?shí)現(xiàn)自旋驅(qū)動(dòng)的電子器件，就必須先有效地操控自旋的取向，進(jìn)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(zhǔn)控制成為可能。電子在晶體周期性勢(shì)場(chǎng)中的軌道運(yùn)動(dòng)會(huì)受到重原子對(duì)其強(qiáng)烈的吸引，在對(duì)稱性破缺的情況下產(chǎn)生自旋和運(yùn)動(dòng)方向的嚴(yán)格鎖定關(guān)系，即自旋軌道耦合效應(yīng)?！?/span>
鄭毅團(tuán)隊(duì)在對(duì)薄層黑砷微納器件的研究中，成功發(fā)現(xiàn)加入外電場(chǎng)時(shí)，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)、可逆的打開和關(guān)閉。這也為后續(xù)自旋器件的開發(fā)找到了一個(gè)控制電子通行的高速開關(guān)，如將示意圖1中的元器件設(shè)置兩個(gè)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(chǎng)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(shí)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(diǎn)?！拔磥恚蒲腥藛T可以利用自旋軌道耦合實(shí)現(xiàn)高效的自旋調(diào)控，開發(fā)自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管等電子元器件?！闭劶皯?yīng)用前景，鄭毅如是說。
Rashba物理的新“味”
自旋軌道耦合效應(yīng)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(diǎn)）為中心形成正負(fù)倒格矢對(duì)稱，但自旋相反的兩套Rashba能帶（如圖2左所示）。在對(duì)黑砷二維電子態(tài)體系的量子輸運(yùn)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(dú)特的粒子-空穴不對(duì)稱性：電子摻雜時(shí)，自旋軌道耦合的打開對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)的?-Rashba；而當(dāng)引入空穴時(shí)，會(huì)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(qiáng)磁場(chǎng)下出現(xiàn)反常的量子化行為：其霍爾臺(tái)階()中的系數(shù)，既填充因子會(huì)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(duì)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(gè)量子數(shù)，在-空間形成兩種‘味’（）的自旋相反Rashba能帶！”在談及對(duì)這一新物理現(xiàn)象的意義時(shí), 鄭毅介紹道：“在對(duì)未知領(lǐng)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(dòng)的事。新奇量子霍爾態(tài)的發(fā)現(xiàn)不僅是物理學(xué)家的夢(mèng)想，還有可能成為拓?fù)淞孔佑?jì)算的重要載體，未來或?qū)?duì)量子計(jì)算的信息保存產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用?！?/span>
圖4 黑砷量子霍爾器件
五年如一日的堅(jiān)守
科學(xué)界一直在尋找可以高效調(diào)控自旋軌道耦合效應(yīng)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(yùn)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(zhǔn)確’地挑選1-2個(gè)體系；而99%的運(yùn)氣背后是夯實(shí)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(gè)異常復(fù)雜和繁瑣的制備過程，為了得到復(fù)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(shí)間才能得到一個(gè)完全工作的器件?！?/span>
在這項(xiàng)工作中，第一作者盛峰默默堅(jiān)持了五年，他把每一個(gè)細(xì)節(jié)都做到極致，堅(jiān)信高標(biāo)準(zhǔn)高要求才能獲得高質(zhì)量結(jié)果?！白隹蒲械某跣氖翘骄课粗?，做科研的動(dòng)力則是好奇心。熱愛并堅(jiān)持，才能走的更遠(yuǎn)！希望浙大的學(xué)生對(duì)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(tuán)隊(duì)提供）
