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Rashba物理的新“味”:自旋軌道耦合可逆調控的直接帶隙半導體黑砷

2021-10-08

 

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禀的電荷,其集體運動産生的電流驅動了照明、晶體管以及各種電子設備的運行。然而作爲一種基本粒子,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。

浙江大學和中南大學的課題組合作研究取得重要突破,首次在直接帶隙半導體黑砷的二維電子態中發現了外電場連續、可逆調控的強自旋軌道耦合效應,並報道了全新的自旋-能谷耦合的Rashba物理現象。

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(k-space)中以零(Γ点)为中心形成正负倒格矢对称、但自旋相反的两套Rashba能带(如图1左所示)。在对黑砷二维电子态体系的量子输运研究中,本研究发现,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Γ-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(如图1右所示),并在强磁场下出现反常的量子化行为:其霍尔台阶Rxy=RK/ν(RK=25.813 kΩ)中的系数,即填充因子ν 会出现自旋-能谷耦合的Rashba能带量子化所特有的偶-奇转变(图2)。这种独特的空穴Rashba能谷的描述,需要自旋(sz)和能谷(τz)两个量子数,在k-空间形成两种‘味’(flavours = szτz = ±1)的自旋相反Rashba能带,是一种教科书上没有的崭新现象。

黑砷二維電子態中發現的新奇量子霍爾態有可能成爲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産生積極的推動作用(如圖3示意);本研究驗證的外電場對自旋的高速精准控制將對高效率、低能耗自旋電子器件研制提供堅實基礎,並對進一步加深量子霍爾現象的理解,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5日,這項研究在線刊發在國際頂級期刊《自然》,論文共同第一作者是浙江大學物理學系博士研究生盛峰、華陳強、程滿,通訊作者是浙江大學物理學系鄭毅研究員、許祝安教授和中南大學夏慶林副教授。

图1. 黑砷粒子-空穴不对称Rashba能带。

图2. 带“味”Rashba能谷的量子化行为。

图3. 黑砷量子霍尔器件。

 

論文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41586-021-03449-8



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