記者從浙江大學獲悉，該校物理學系鄭毅研究員課題組與聯合團隊，首次在黑砷二維電子態中發現了外電場連續、可逆調控的強自旋軌道耦合效應，實現了對自旋的高速精準控制；同時在全新的自旋-能谷耦合的Rashba物理現象中，發現了新奇的量子霍爾態。相關論文當天刊發於《自然》。
電子是人們日常生活中熟悉的“陌生人”：每個電子攜帶一份內稟的電荷，其集體運動產生的電流驅動了照明、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基本物理量，即自旋。如何操控自旋，研製速度更快、能耗更低的電子器件是自上世紀90年代以來科學和工程領域孜孜追求的目標。
常見的晶體管運行，通過場效應在溝道中注入和抽離電荷實現開關。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，無法簡單地生成運動控制閥門。 “要實現自旋驅動的電子器件，就必須先有效地操控自旋的取向，進而就可以用自旋閥門來控制電子的通過與否。”鄭毅介紹說，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，成功發現加入外電場時，黑砷二維電子態系統的自旋軌道耦合效應可連續、可逆的打開和關閉。這也為後續自旋器件的開發找到了一個控制電子通行的高速開關。
“該研究將對高效率、低能耗自旋電子器件研製提供堅實基礎，對進一步加深量子霍爾現象的理解，以及依託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，未來，科研人員有望利用自旋軌道耦合實現高效的自旋調控，開發自旋場效應晶體管等電子元器件。
圖1 自旋電子器件
圖2 黑砷量子霍爾器件