Forskere opnår synergetiske effekter mellem spin-orbit-kobling og Stark-effekt

Hver elektron bærer en negativ elementær ladning, hvis kollektive bevægelse genererer elektriske strømme, der driver lysets drift, transistorer og alle former for elektronisk udstyr. Imidlertid, som en elementær partikel, elektron besidder også et iboende vinkelmoment, dvs. spin på 1/2. Det har været et fristende mål at manipulere elektronspins til udvikling af hurtigere og mere energieffektive elektroniske enheder, siden Datta og Das foreslog ideen om spin-felt-effekt-transistor i 1990'erne.

For nylig, forskergruppen ledet af prof. Zheng Yi ved Zhejiang University Department of Physics fik et stort gennembrud. Teamet demonstrerede, at synergetiske virkninger mellem spin-orbit-kobling (SOC) og Stark-effekten kan aktiveres kontinuerligt og reversibelt af en ekstern elektrostatisk port i centrosymmetrisk fålags sort arsen (BA'er). Ved hjælp af en sådan orkestrerende effekt, de opdagede Rashba-bandformation med spin-dalsmag og ukonventionelle kvante Hall-tilstande (QHS'er) i de todimensionale hulgasser af BA'er for første gang. Undersøgelsen blev offentliggjort i Natur den 6. maj, med titlen "Rashba-dale og kvante Hall-tilstande i få lag sort arsen."

CMOS-teknologibaserede transistorer tænder og slukker ved at styre strømmen i kanalerne via felteffekter. Imidlertid, den kollektive manipulation af elektronspins til at danne en on-and-off switch er temmelig udfordrende, fordi spin -orienteringer under elektronbevægelse let kan vendes af forskellige spredningsmekanismer.

"At udvikle spin-baserede elektroniske enheder, vi burde først være i stand til at manipulere spin -orienteringen effektivt, hvilket ville give os mulighed for at opbygge spin FET'er ved at styre centrifugeringsstrømmen ved hjælp af spinventiler, "Zheng Yi sagde." Fremkomsten af ​​nye todimensionale materialer åbner enorme muligheder for at manipulere elektronspins på en hurtig og effektiv måde ved hjælp af spin-orbit-koblingseffekten. I tunge 2D -systemer, ledningselektroners orbitale bevægelse i det periodiske krystalfelt tiltrækkes stærkt af den positivt ladede kerne, frembringer en relativistisk kobling mellem elektron -spin og retningen for orbital bevægelse i tilfælde af inversionssymmetri, der bryder. "

Zheng Yi et al. fandt ud af, at ved at indføre et eksternt elektrisk felt, SOC-effekten i 2D elektroniske systemer (2DES'er) af sortlags sort arsen kan tændes og slukkes kontinuerligt og reversibelt. Dette fund giver i princippet en effektiv måde til at realisere højhastigheds-spin-switch-enheder ved at kontrollere strømmen af ​​elektron-spins ved hjælp af gate-tunable SOC.

Som vist i fig. 1, sådanne gate-tunable SOC-baserede spin FET'er har to ferromagnetiske ventiler med samme magnetiseringsretning. De injicerede elektroner, centrifugering polariseret af venstre centrifugeringsventil, kan hurtigt passere gennem BAs -kanalen uden at vende spin -orienteringer i fravær af en gate -spænding. Når det eksterne elektriske felt er anvendt, centrifugeringsstrøm er blokeret af den højre centrifugeringsventil på grund af SOC-induceret centrifugering i BAs-kanalen, derved opfylder funktionen af ​​spin FET'er.

I sammenligning med den siliciumbaserede CMOS-transistor, sådan en spin-baseret switch er kendetegnet ved dens hurtige switchhastighed og lave energiforbrug. "Forskere kan bruge denne gate-tunable SOC-effekt til at styre spinflow effektivt og udvikle prototypiske elektroniske komponenter såsom spin FET'er i fremtiden, "sagde Zheng Yi.

I dette studie, forskere opdagede en unik asymmetrisk dannelse af Rashba -bånd i partikler i 2DES'erne af BA'er. For 2D hulgasser, de indså gate-tunable Rashba-dalen manipulationer, kendetegnet ved ukonventionelle lige-til-ulige overgange i kvante Hall-stater på grund af dannelsen af ​​et smagsafhængigt Landau-niveau-spektrum.

"Det er virkelig spændende at opdage noget helt nyt, når man udforsker det ukendte. Vi er ganske heldige at opdage Rashba-fysikken med spin-valley-smag og de dertil knyttede eksotiske kvantiseringsfænomener i BA'er, som kan blive en hidtil uset platform for at udforske topologisk kvanteberegning og for ny spin-baseret elektronik i fremtiden, "sagde Zheng Yi.

I deres opfølgningsforsøg, forskerne studerer nu 2DES'er af BA-lag med få lag i højere magnetiske felter, forventer at se mere fascinerende SOC- og Rashba-relateret ny fysik, såsom quantum valley Hall -effekten og den fraktionerede quantum Hall -effekt.