電子自旋高速操控實(shí)現 加深量子霍爾現象的理解

電子是人們日常生活中熟悉的“陌生人”：每個(gè)電子攜帶一份內稟的電荷，其集體運動(dòng)產(chǎn)生的電流驅動(dòng)了照明、晶體管以及各種電子設備的運行。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90年代以來(lái)科學(xué)和工程領(lǐng)域孜孜追求的目標。

常見(jiàn)的晶體管運行，通過(guò)場(chǎng)效應在溝道中注入和抽離電荷實(shí)現開(kāi)關(guān)。但作為與電荷具有同等內稟地位的自旋卻極容易受到干擾，無(wú)法簡(jiǎn)單地生成運動(dòng)控制閥門(mén)。“要實(shí)現自旋驅動(dòng)的電子器件，就必須先有效地操控自旋的取向，進(jìn)而可以用自旋閥門(mén)來(lái)控制電子的通過(guò)與否。”鄭毅介紹說(shuō)，重元素二維材料體系使得電子自旋的高速精準控制成為可能。

鄭毅團隊在對薄層黑砷微納器件的研究中，成功發(fā)現加入外電場(chǎng)時(shí)，黑砷二維電子態(tài)系統的自旋軌道耦合效應可連續、可逆的打開(kāi)和關(guān)閉。這也為后續自旋器件的開(kāi)發(fā)找到了一個(gè)控制電子通行的高速開(kāi)關(guān)。

“該研究將對高效率、低能耗自旋電子器件研制提供堅實(shí)基礎，對進(jìn)一步加深量子霍爾現象的理解，以及依托拓撲超導器件的量子計算研究具有積極意義。”談及應用前景，鄭毅說(shuō)，未來(lái)，科研人員有望利用自旋軌道耦合實(shí)現高效的自旋調控，開(kāi)發(fā)自旋場(chǎng)效應晶體管等電子元器件。(洪恒飛 柯溢能 記者江耘)

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