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Rxy=RK/ν（RK=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（sz）和能谷（τz）两个量子数，在k-空间形成两种‘味’（flavours = szτz = ±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