【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】自旋電子學(xué)是通過對(duì)晶體管中電子自旋角動(dòng)量的有效操縱，實(shí)現(xiàn)自旋信息的存儲(chǔ)、傳輸和處理，被視為未來信息技術(shù)發(fā)展的重要方向之一;而自旋軌道耦合效應(yīng)則提供了一種通過外電場(chǎng)調(diào)控電子軌道運(yùn)動(dòng)進(jìn)而控制電子自旋狀態(tài)的重要途徑。對(duì)于結(jié)構(gòu)反演對(duì)稱性破缺的體系，靜電勢(shì)梯度引發(fā)的自旋軌道耦合作用會(huì)導(dǎo)致能帶劈裂，形成一對(duì)自旋 -動(dòng)量鎖定且自旋方向相反的能帶結(jié)構(gòu)，即文獻(xiàn)中提到的Rashba效應(yīng)，這也是自旋電子學(xué)中的重要物理效應(yīng)之一。有趣的是，鐵電極化也往往源于晶體中心對(duì)稱性的破缺，表現(xiàn)出自發(fā)和可切換的自旋極化。這些物理現(xiàn)象引發(fā)了研究人員對(duì)開發(fā)鐵電型Rashba半導(dǎo)體這一新型自旋電子學(xué)材料的興趣，即利用外電場(chǎng)控制鐵電極化反轉(zhuǎn)來調(diào)控自旋角動(dòng)量。以往的研究主要集中在尋找Rashba效應(yīng)和鐵電性共存的單一材料，然而這些材料的Rashba效應(yīng)相對(duì)較小，難以在實(shí)驗(yàn)中觀察到明顯的自旋劈裂。
 

　　針對(duì)以上問題，中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院(上海光源中心)的梁兆峰/宋飛研究員團(tuán)隊(duì)提出基于面外極化二維鐵電體和二維層狀材料構(gòu)建具有強(qiáng)界面相互作用的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鐵電性質(zhì)的調(diào)控，還能顯著增強(qiáng)Rashba自旋劈裂效應(yīng)。相關(guān)成果發(fā)表在凝聚態(tài)物理知名期刊Physical Review B上，題為“Ferroelectric manipulation and enhancement of Rashba spin splitting in van der Waals heterostructures”(Phys. Rev. B.110, 085110)。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)選取了實(shí)驗(yàn)上已合成的MX/α-In2Se3(MX = GaTe和InSe)體系，利用第一性原理計(jì)算和k·p哈密頓方法，揭示了其Rashba自旋軌道耦合效應(yīng)的鐵電調(diào)控和增強(qiáng)的物理機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，在GaTe/α-In2Se3異質(zhì)結(jié)中，最低導(dǎo)帶在Gamma點(diǎn)表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的自旋劈裂，其Rashba系數(shù)在鐵電極化向上和向下兩種狀態(tài)下，相較于單層α-In2Se3材料分別增強(qiáng)了約7倍和3倍。這種增強(qiáng)效應(yīng)來源于層間電荷轉(zhuǎn)移和鏡像對(duì)稱性破缺形成的強(qiáng)界面相互作用。這一鐵電調(diào)控和增強(qiáng)機(jī)制也適用于其它具有相同對(duì)稱性的體系。此外，基于具有四種可切換鐵電極化狀態(tài)的α-In2Se3/GaTe/α-In2Se3夾層結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步驗(yàn)證了鐵電極化切換可作為調(diào)控Rashba自旋軌道耦合效應(yīng)的開關(guān)和增強(qiáng)的一個(gè)自由度。此項(xiàng)研究證明了二維范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)作為潛在鐵電型Rashba半導(dǎo)體的可行性，并對(duì)其在自旋電子器件中的潛在應(yīng)用提供了重要的理論指導(dǎo)。
 

　　論文的第一作者是上海高等研究院上海光源中心在讀博士生梁兆峰，主要通訊作者是上海高等研究院宋飛研究員，合作通訊作者是北京航空航天大學(xué)杭州國(guó)際創(chuàng)新研究院的華陳強(qiáng)副研究員。此外，浙江工業(yè)大學(xué)的王垚副教授和張金森博士在輸運(yùn)性質(zhì)計(jì)算上提供了支持和幫助。本項(xiàng)工作還得到了中科院建制化中心、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。
 

圖1. 二維異質(zhì)結(jié)中Rashba自旋軌道耦合效應(yīng)的鐵電調(diào)控和增強(qiáng)示意圖
 

　　圖2. GaTe (InSe)/α-In2Se3異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)與其最低導(dǎo)帶的Rashba自旋紋理