我國(guó)發(fā)現(xiàn)電子自旋操控高速開關(guān) 有利于加深量子霍爾現(xiàn)象理解

記者5月6日從浙江大學(xué)獲悉，該校物理學(xué)系鄭毅研究員課題組與聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，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)。相關(guān)論文當(dāng)天刊發(fā)于《自然》。

電子是人們?nèi)粘Ｉ钪惺煜さ?ldquo;陌生人”：每個(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)。

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。 “要實(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。”鄭毅介紹說，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。

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)。

“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。”談及應(yīng)用前景，鄭毅說，未來，科研人員有望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。

(洪恒飛 柯溢能江耘)