Varje elektron bär en negativ elementär laddning, vars kollektiva rörelse genererar elektriska strömmar som driver ljusets funktion, transistorer och alla typer av elektroniska enheter. Dock, som en elementär partikel, elektron har också en inneboende vinkelmoment, dvs snurr på 1/2. Det har varit ett frestande mål att manipulera elektronspinn för att utveckla snabbare och mer energieffektiva elektroniska enheter sedan Datta och Das föreslog idén om spinnfält-effekt-transistor på 1990-talet.

Nyligen, forskargruppen som leddes av professor Zheng Yi vid Zhejiang University Department of Physics gjorde ett stort genombrott. Teamet visade att synergetiska effekter mellan spin-orbit-koppling (SOC) och Stark-effekten kan aktiveras kontinuerligt och reversibelt av en extern elektrostatisk grind i centrosymmetrisk svartskiktad arsenik (BA). Med en sådan orkestrerande effekt, de upptäckte Rashba-bandformation med spin-dalsmak och okonventionella kvant-Hall-tillstånd (QHS) i de tvådimensionella hålgaserna för BA:er för första gången. Studien publicerades i Natur den 6 maj, med titeln "Rashba-dalar och quantum Hall-tillstånd i få lager svart arsenik."

CMOS-teknikbaserade transistorer slås på och av genom att styra strömflödet i kanalerna via fälteffekter. Dock, den kollektiva manipulationen av elektronspinn för att bilda en av och på-omkopplare är ganska utmanande, eftersom rotationsorienteringar under elektronrörelse lätt kan vändas av olika spridningsmekanismer.

"För att utveckla spinnbaserade elektroniska enheter, vi borde först kunna manipulera spinnorienteringen effektivt, vilket skulle tillåta oss att bygga centrifugerings -FET genom att styra centrifugeringsflödet med hjälp av centrifugeringsventiler, "Sade Zheng Yi." Framväxten av nya tvådimensionella material öppnar enorma möjligheter att manipulera elektronspinn på ett snabbt och effektivt sätt genom spin-orbit-kopplingseffekten. I tunga 2D -system, ledningselektronernas orbitalrörelse i det periodiska kristallfältet lockas starkt av den positivt laddade kärnan, producerar en relativistisk koppling mellan elektronspinnet och orbitalrörelsens riktning vid inversionssymmetri som bryts. "

Zheng Yi et al. fann att genom att införa ett externt elektriskt fält, SOC-effekten i 2D-elektroniska system (2DES) av fålagers svart arsenik kan slås på och av kontinuerligt och reversibelt. Denna upptäckt ger i princip ett effektivt sätt för att förverkliga höghastighets-centrifugeringsenheter genom att styra flödet av elektronspinn med hjälp av grindjusterbar SOC.

Som visas i fig. 1, sådana grindjusterbara SOC-baserade spinn-FET:er har två ferromagnetiska ventiler med samma magnetiseringsorientering. De injicerade elektronerna, centrifugering polariserad av vänster centrifugeringsventil, kan snabbt passera genom BAs -kanalen utan att vända centrifugeringsriktningar i frånvaro av en grindspänning. När det externa elektriska fältet har applicerats, centrifugeringsflödet blockeras av den högra centrifugeringsventilen på grund av SOC-inducerad centrifugering i BAs-kanalen, och därmed uppfylla funktionen hos spinn -FET:er.

I jämförelse med den kiselbaserade CMOS-transistorn, en sådan spinnbaserad omkopplare kännetecknas av dess snabba omkopplingshastighet och låga energiförbrukning. "Forskare kan använda denna gate-tunable SOC-effekt för att styra spinnflödet effektivt och utveckla prototypiska elektroniska komponenter som spinn FET i framtiden, sa Zheng Yi.

I den här studien, forskare upptäckte en unik partikelhåls asymmetrisk Rashba -bandbildning i 2DES av BA:er. För 2D -hålsgaser, de insåg grindjusterbara manipuleringar i Rashba-dalen, kännetecknas av okonventionella jämna till udda övergångar i kvant Hall-tillstånd på grund av bildandet av ett smakberoende Landau-nivåspektrum.

"Det är verkligen spännande att upptäcka något helt nytt när man utforskar det okända. Vi har ganska tur att upptäcka Rashba-fysiken med spin-dalen och de därtill hörande exotiska kvantiseringsfenomenen i BA, som kan bli en plattform utan motstycke för att utforska topologisk kvantberäkning och för ny spinnbaserad elektronik i framtiden, sa Zheng Yi.

I deras uppföljningsexperiment, forskarna studerar nu 2DES av få lager BA i högre magnetfält, förväntar sig att se mer fascinerande SOC- och Rashba-relaterad ny fysik, såsom quantum valley Hall -effekten och den fraktionerade quantum Hall -effekten.