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科学家发现电子自旋操控高速开关

2021-05-07 中国科学报 崔雪芹
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  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。同时,在全新的自旋—能谷耦合的Rashba物理现象中,他们发现了新奇的量子霍尔态。相关成果5月6日刊发于《自然》。

  自旋是电子作为一种基本粒子携带的一个基本物理量。然而,自旋具有不稳定性,就像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,就必须先有效操控自旋的取向,进而用自旋阀门来控制电子的通过。”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。”

  在对薄层黑砷微纳器件的研究中,郑毅团队发现,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、可逆地打开和关闭。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,在无栅压情况下,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。

  在对黑砷二维电子态体系的量子输运研究中,课题组还发现,黑砷体系的自旋轨道耦合呈现独特的粒子—空穴不对称性,当引入空穴时,会出现奇特的自旋—能谷耦合的Rashba新物理现象,并在强磁场下出现反常的量子化行为。

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

打印 责任编辑:阎芳

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