中国半导体十大研究进展候选推荐（2021-023）——Rashba物理的新“味”：自旋轨道耦合可逆调控的直接带隙半导体黑砷

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工作简介

         ——Rashba物理的新“味”：自旋轨道耦合可逆调控的直接带隙半导体黑砷

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。

浙江大学和中南大学的课题组合作研究取得重要突破，首次在直接带隙半导体黑砷的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，并报道了全新的自旋-能谷耦合的Rashba物理现象。

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（k-space）中以零（Γ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1左所示）。在对黑砷二维电子态体系的量子输运研究中，本研究发现，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Γ-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1右所示），并在强磁场下出现反常的量子化行为：其霍尔台阶R_xy=R_K/ν（R_K=25.813 kΩ）中的系数，即填充因子ν 会出现自旋-能谷耦合的Rashba能带量子化所特有的偶-奇转变（图2）。这种独特的空穴Rashba能谷的描述，需要自旋（s_z）和能谷（τ_z）两个量子数，在k-空间形成两种‘味’（flavours = s_zτ_z = ±1）的自旋相反Rashba能带，是一种教科书上没有的崭新现象。

黑砷二维电子态中发现的新奇量子霍尔态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（如图3示意）；本研究验证的外电场对自旋的高速精准控制将对高效率、低能耗自旋电子器件研制提供坚实基础，并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5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博士研究生盛峰、华陈强、程满，通讯作者是浙江大学物理学系郑毅研究员、许祝安教授和中南大学夏庆林副教授。

图1. 黑砷粒子-空穴不对称Rashba能带。

图2. 带“味”Rashba能谷的量子化行为。

图3. 黑砷量子霍尔器件。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03449-8

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作者简介

通讯作者

郑毅，浙江大学百人研究员，入选国家高层次人才青年项目。

2008年博士毕业于新加坡国立大学物理系，研究方向为金属－有机半导体界面的弹道电子发射谱（BEEM）研究。博士后期间(合作导师Prof. B. Ozyilmaz和Prof. K.P. Loh)，在二维晶体异质结及其电子器件原型方向做出了原创性的工作，其研究在非挥发性存储器件，透明电极，触摸屏以及低电压晶体管等方面均有潜在的应用前景。2015年4月加入浙江大学物理系，当前研究方向为新型二维晶体的物性调控与器件应用，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。在Nature，PRL等杂志发表论文40余篇，总引用超过8000余次。

通讯作者

许祝安，浙江大学物理系教授、博导，浙江省量子技术与器件重点实验室主任。曾获国家杰出青年科学基金，入选教育部长江学者和教育部创新团队负责人，科技部重大科学研究计划项目首席科学家。

先后在铜氧化物高温超导体、铁基超导体、关联电子体系和量子材料等研究方向取得重要进展，在国际学术期刊发表学术论文250余篇，引用超过6000次。10余篇论文入选ESI高引论文。先后获得教育部自然科学一等奖（2013年排名1）和二等奖（2019年，排名2）。

通讯作者

夏庆林，中南大学物理与电子学院副教授。湖南师范大学物理教育专业本科、凝聚态物理专业硕士，中南大学材料学博士（在职），中国科学院半导体研究所物理学博士后，美国加州大学Berkeley分校材料科学与工程系访问学者，浙江大学物理系访问学者。

近年来主要从事新型二维材料物性实验研究和第一性原理理论计算研究、磁性材料制备及性质研究、微纳器件加工及磁电输运特性研究。在Nature, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, ACS nano等期刊发表论文50多篇。

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原文传递

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https://doi.org/10.1038/s41586-021-03449-8

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！

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