浙大学者发现电子自旋操控的高速开关，可用开发自旋场效应晶体管

　　每一个做科学的人都希望能够发现一种教科书上没有的崭新现象。能看到黑砷中自旋能鼓耦合的Rashba效应让我们非常开心和自豪。黑砷电子态对应的反常量子霍尔态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。
　　说到团队的新成果，浙江大学物理学系研究员郑毅很是开心，本次其课题组获得的重要突破是，在黑砷二维电子态中首次发现外电场连续、可逆调控的强自旋轨道耦合效应，并发现一种全新的自旋能谷耦合的Rashba效应。
　　图郑毅课题组相关研究人员（来源：该课题组）
　　电子，是我们从初中物理课堂就开始接触的名词，也是我们身边最熟悉的陌生人，其集体运动时产生的电流，以各种方式供应着我们的生活，从夜晚的路灯、到厨房的烤箱等等不一而足。
　　电子作为一种基本粒子，还携带另一种名为自旋的基本物理量。自旋相关的性质很多，其实就是相当于另一个维度的自由度，如果我们能够通过一些控制手段控制自旋的变化或不变，就能打开新的器件设计维度。自20世纪90年以来，如何操控自旋以研制速度更快、能耗更低的电子器件，一直是科学领域和工程领域热切盼望攻克的目标。
　　郑毅等人发现在黑砷体系中，外电场可连续可逆地诱导出非常强的Stark效应和Rashba效应，由于黑砷特殊晶格，两者会出现协同效应，可以导致黑砷能带出现粒子空穴不对称的Rashba能谷：在黑砷2DEGs中出现传统的Rashba能带；而2DHGs中则会出现全新的自旋能谷耦合的Rashba能带劈裂，并对应朗道能级翻越的反常量子霍尔态行为。
　　北京时间5月6日，相关论文以《少层黑砷中的Rashba能谷和量子霍尔态》（RashbavalleysandquantumHallstatesinfewlayerblackarsenic）为题发表在Nature上，郑毅、中南大学夏庆林教授以及浙大物理学系的许祝安教授担任通讯作者，浙大物理学系的博士研究生盛峰、华陈强、程满为共同一作。
　　图相关论文（来源：Nature）
　　研究小组首次在黑砷材料上发现了全新的自旋能谷耦合的Rashba物理现象，量子化后发现了新奇的反常量子霍尔态。在凝聚态物理领域，量子效应也是一直备受关注的研究重点。
　　自发现二维材料体系以后，新奇量子效应和量子调控的研究和应用，也得到了丰富且理想的材料平台。此次研究小组选择二维材料黑砷作为研究平台也是看中了二维材料的特殊属性以及能够成为新型量子器件载体的潜力。
　　研究小组在二维极限下，充分展示了自旋轨道耦合效应的场效应调控的可行性和发展前景，这给研制高效率、低能耗自旋电子器件提供了坚实基础，在加深理解量子霍尔现象、和未来开发基于拓扑超导器件的量子计算研究方面，也有一定积极意义。
　　研究的具体情况是，研究团队在最大15特斯拉的强磁场下、以及最低0。27K的极低温下，研究了少状黑砷器件的量子输运性质，并在少层黑砷场效应晶体管器件中，诱导出高迁移率的双极性二维电子态系统（2DESs），即二维电子气（2DEGs）和二维空穴气（2DHGs）。
　　给自旋器件的开发，找到一个控制电子通行的高速开关
　　对于理工科学生来说，最简单的控制单元就是开关，有了开关就有了控制的可能。通常，我们在电路中、在实际生产的机器中需要引入可靠的开关，晶体管就是这么一类可靠的电子开关。其基本原理是通过控制栅极的门电压来注入和抽出电荷以控制晶体管沟道的开闭，从而实现源漏的通断。随着人们对于自旋现象及其背后的原理理解越来越深，科学家提出了自旋器件的概念，而自旋电子学（Spintronics）也成为研究热点。自旋器件的核心思路就是利用电子自旋这一性质来实现开关控制的原理。具体而言，电子的自旋可以有两个取向，在一般的物质中它们的比例几乎相同。
　　自旋在运动过程中极容易受到干扰，无法简单的生成运动控制阀门。郑毅说：自旋的这种不稳定性，好比是一个向前行进的不停旋转的陀螺，受到外力作用就会改变旋转的方向。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。
　　在研究薄层黑砷微纳器件的过程中，该团队发现在加入外电场时，黑砷二维电子态系统的自旋轨道耦合效应，呈现出可连续、可逆向的打开和关闭。对后续自旋器件的开发来说，这等于给其找到一个控制电子通行的高速开关。如下图所示，给图中的元器件设置两个同向的铁磁电极。在无栅压的情况下，注入的电子可高速通过黑砷沟道，并能保持不变的自旋取向。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，从而就实现了基于电子自旋的开关功能。相比基于电容效应的硅基晶体管，该自旋开关具备发热量少、切换速度快等特点。
　　提及本次研究的创新点，郑毅说道：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。
　　图自旋电子器件（来源：Nature）
　　Rashba物理的新大陆
　　通常在晶体中，自旋轨道耦合效应表现为自旋劈裂的Rashba表面态。在倒格矢空间中，以零点为中心能形成正负倒格矢对称，自旋相反的两套Rashba能带如下图左所示。
　　图黑砷粒子空穴不对称Rashba能带（来源：Nature）
　　在研究黑砷二维电子态体系的量子输运时，该团队发现黑砷体系的自旋轨道耦合，会呈现出独特的粒子空穴不对称性。
　　具体来说，在电子掺杂时，自旋轨道耦合的打开对应着传统的Rashba图像；但当引入空穴时，则出现奇特的自旋能谷耦合的Rashba新物理现象（如上图右所示），且在强磁场下表现出反常的量子化行为：霍尔台阶图片中的系数、也就是填充因子，会出现自旋能谷耦合Rashba能谷量子化所特有的偶奇转变。
　　图带味Rashba能谷的量子化行为（来源：Nature）
　　对于这一新的物理现象，郑毅表示：黑砷空穴Rashba能谷的描述，需要自旋和能谷两个量子数，在k空间形成两种‘味’（Flavours）的自旋相反Rashba能带！
　　图黑砷量子霍尔器件（来源：Nature）
　　对于本次研究的应用前景，郑毅表示：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。
　　5年如一日，这是物理学家的坚持
　　一直以来，学界都在寻找可以高效调控自旋轨道耦合效应的量子体系，然而多是铩羽而归。
　　问及为何是该课题组找到，他们给了一个公式：1的直觉99的运气。
　　对于该公式，郑毅解释称：1的直觉，指的是在确定‘重元素二维体系的自旋轨道耦合调控’的研究主题后，要从几百种已知的二维材料中‘准确’地挑选12个体系；而99的运气背后是夯实的专业以及不为人知的努力。
　　他表示：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。
　　本次论文的作者盛峰，为此坚持了五年多，死抠每个细节只为获得高质量成果。郑毅也感慨称：做科研的初心是探究未知，做科研的动力则是好奇心。热爱并坚持，才能走的更远！