Elk elektron draagt ​​één negatieve elementaire lading, wiens collectieve beweging elektrische stromen genereert die de werking van lichten aandrijven, transistors en allerlei elektronische apparaten. Echter, als een elementair deeltje, elektron bezit ook een intrinsiek impulsmoment, d.w.z. spin van 1/2. Het is een verleidelijk doel geweest om elektronenspins te manipuleren voor het ontwikkelen van snellere en energiezuinigere elektronische apparaten sinds Datta en Das in de jaren negentig het idee van een spin-veldeffecttransistor voorstelden.

Onlangs, het onderzoeksteam onder leiding van prof. Zheng Yi van het Zhejiang University Department of Physics zorgde voor een grote doorbraak. Het team toonde aan dat synergetische effecten tussen spin-orbit-koppeling (SOC) en het Stark-effect continu en omkeerbaar kunnen worden geactiveerd door een externe elektrostatische poort in centrosymmetrisch paarlaags zwart arseen (BA's). Door een dergelijk orkestrerend effect te gebruiken, ze ontdekten voor het eerst Rashba-bandvorming met spin-valleismaak en onconventionele kwantum Hall-toestanden (QHS's) in de tweedimensionale gatgassen van BA's. De studie is gepubliceerd in Natuur op 6 mei, getiteld "Rashba-valleien en quantum Hall-staten in zwart arseen met een paar lagen."

Op CMOS-technologie gebaseerde transistors schakelen aan en uit door de stroom in de kanalen te regelen via veldeffecten. Echter, de collectieve manipulatie van elektronenspins om een ​​aan- en uitschakelaar te vormen is nogal uitdagend, omdat spinoriëntaties tijdens elektronenbeweging gemakkelijk kunnen worden omgedraaid door verschillende verstrooiingsmechanismen.

"Om op spin gebaseerde elektronische apparaten te ontwikkelen, we moeten eerst in staat zijn om de spinoriëntatie effectief te manipuleren, waarmee we spin-FET's kunnen bouwen door de spinstroom te regelen met behulp van spinkleppen, " Zheng Yi zei. "De opkomst van nieuwe tweedimensionale materialen opent enorme mogelijkheden in het manipuleren van elektronenspins op een snelle en efficiënte manier door het spin-baankoppelingseffect. In zware 2D-systemen, de orbitale beweging van geleidingselektronen in het periodieke kristalveld wordt sterk aangetrokken door de positief geladen kern, het produceren van een relativistische koppeling tussen de elektronspin en de richting van de orbitale beweging bij inversiesymmetrie breken."

Zheng Yi et al. ontdekte dat door het introduceren van een extern elektrisch veld, het SOC-effect in de 2D elektronische systemen (2DES's) van zwart arseen met enkele lagen kan continu en omkeerbaar worden in- en uitgeschakeld. Deze bevinding biedt in principe een efficiënte manier om snelle spin-switch-apparaten te realiseren door de stroom van elektronenspins te regelen met behulp van gate-tunable SOC.

Zoals getoond in Fig. 1, dergelijke gate-afstembare SOC-gebaseerde spin-FET's hebben twee ferromagnetische kleppen met dezelfde magnetisatieoriëntatie. De geïnjecteerde elektronen, spin gepolariseerd door de linker spinklep, kan snel door het BA-kanaal gaan zonder de spinoriëntaties om te draaien bij afwezigheid van een poortspanning. Zodra het externe elektrische veld wordt toegepast, spinstroom wordt geblokkeerd door de rechter spinklep vanwege SOC-geïnduceerde spinrotatie in het BAs-kanaal, waardoor de functie van spin-FET's wordt vervuld.

In vergelijking met de op silicium gebaseerde CMOS-transistor, zo'n op spin gebaseerde schakelaar wordt gekenmerkt door zijn hoge schakelsnelheid en laag energieverbruik. "Onderzoekers kunnen dit gate-tunable SOC-effect gebruiken om de spinstroom efficiënt te regelen en in de toekomst prototypische elektronische componenten zoals spin-FET's te ontwikkelen, ' zei Zheng Yi.

In dit onderzoek, onderzoekers ontdekten een unieke asymmetrische Rashba-bandformatie in de 2DES's van BA's. Voor 2D-gatgassen, ze realiseerden gate-afstembare manipulaties in de Rashba-vallei, gekenmerkt door onconventionele even-naar-oneven overgangen in quantum Hall-toestanden als gevolg van de vorming van een smaakafhankelijk Landau-niveauspectrum.

"Het is echt opwindend om iets gloednieuws te ontdekken tijdens het verkennen van het onbekende. We hebben veel geluk dat we de Rashba-fysica met spin-valleismaak en de gerelateerde exotische kwantiseringsverschijnselen in BA's ontdekken, die in de toekomst een ongekend platform kan worden voor het verkennen van topologische kwantumberekening en voor nieuwe op spin gebaseerde elektronica, ' zei Zheng Yi.

In hun vervolgexperimenten de onderzoekers bestuderen nu de 2DES's van BA's met weinig lagen in hogere magnetische velden, in de verwachting meer fascinerende SOC- en Rashba-gerelateerde nieuwe fysica te zien, zoals het kwantumvallei Hall-effect en het fractionele kwantum Hall-effect.