浙大学者发现电子自旋操控的高速开关

记者从浙江大学获悉，该校物理学系郑毅研究员课题组与联合团队，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。相关论文当天刊发于《自然》。

电子是人们日常生活中熟悉的“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。

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。 “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。

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。

“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。”谈及应用前景，郑毅说，未来，科研人员有望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。

图1 自旋电子器件

图2 黑砷量子霍尔器件