郑毅课题组Nature：发现电子自旋操控的高速开关

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电子是我们日常生活最熟悉的“陌生人”：每个电子携带一份内禀的电荷，其集体运动产生的电流驱动了照明、晶体管以及各种电子设备的运行。然而作为一种基本粒子，电子还携带另外一个基本物理量，即自旋。如何操控自旋，研制速度更快、能耗更低的电子器件是自上世纪90年代以来科学和工程领域孜孜追求的目标。
       近日，浙江大学物理学系郑毅研究员的课题组取得重要突破，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，发现了新奇的量子霍尔态。该研究将对高效率、低能耗自旋电子器件研制提供坚实基础，对进一步加深量子霍尔现象的理解，以及依托拓扑超导器件的量子计算研究具有积极意义。
北京时间5月6日，这项研究在线刊发在国际顶级期刊《自然》，论文共同第一作者是浙江大学物理学系的博士研究生盛峰、华陈强、程满，主通讯作者是浙江大学物理学系郑毅研究员；另外两名合作通讯作者分别是中南大学的夏庆林教授和浙大物理学系的许祝安教授。

自旋操控新阀门

        常见的晶体管运行，通过场效应在沟道中注入和抽离电荷实现开关。但作为与电荷具有同等内禀地位的自旋却极容易受到干扰，无法简单地生成运动控制阀门。
       自旋的这种不稳定，好比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。”郑毅研究员介绍说：“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。”
       郑毅团队在对薄层黑砷微纳器件的研究中，成功发现加入外电场时，黑砷二维电子态系统的自旋轨道耦合效应可连续、可逆的打开和关闭。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，如将示意图1中的元器件设置两个同向的铁磁电极，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。

图1 自旋电子器件

Rashba物理的新“味”

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（-space）中以零（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2左所示）。在对黑砷二维电子态体系的量子输运研究中，郑毅课题组发现，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-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2右所示），并在强磁场下出现反常的量子化行为：其霍尔台阶()中的系数，既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3）。

图2 黑砷粒子-空穴不对称Rashba能带

图3 带“味”Rashba能谷的量子化行为

       “黑砷空穴Rashba能谷的描述，需要自旋（）和能谷（）两个量子数，在-空间形成两种‘味’（）的自旋相反Rashba能带！”在谈及对这一新物理现象的意义时, 郑毅介绍道：“在对未知领域的探索中，能够发现一种教科书上没有的崭新现象，是让人非常激动的事。新奇量子霍尔态的发现不仅是物理学家的梦想，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。”

图4 黑砷量子霍尔器件

五年如一日的坚守

       科学界一直在寻找可以高效调控自旋轨道耦合效应的量子体系，为何郑毅课题组找到了呢？他们开玩笑地说，1%的直觉+99%的运气！郑毅解释道：“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1-2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。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。”
       在这项工作中，第一作者盛峰默默坚持了五年，他把每一个细节都做到极致，坚信高标准高要求才能获得高质量结果。“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！希望浙大的学生对自己有信心，做最好的自己！”郑毅赞叹道，“最后，必须要感谢一下我们优秀的合作者们。”
      论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03449-8（文 柯溢能/摄影 卢绍庆 科研图片由受访团队提供）
       文章来源：浙江大学
       郑毅，浙江大学研究员，2008年博士毕业于新加坡国立大学物理系。博士后期间，和Prof. BarbarosOzyilmaz合作，在石墨烯-铁电异质结及其电子器件原型方向做了一些原创性的工作。2015年4月加入浙江大学物理系，当前研究方向为二维晶体的物性与新型电子器件，包括类黑磷材料的物性调控与量子霍尔效应二维铁磁、铁电与多铁材料的机理和器件，和二维磁性拓扑绝缘体。其通讯作者论文引用超过200次，其中类黑磷材料SnSe的热电物性研究，和拓扑外尔半金属载流子超高迁移率的研究工作均为ESI高引用论文。