中南大学夏庆林等在Nature合作发表新型层状材料量子调控创新研究成果

近日，国际顶级期刊 Nature 杂志在线发表了中南大学物理与电子学院夏庆林等与浙江大学物理系郑毅研究员课题组、许祝安教授课题组等合作完成的最新研究成果，论文题为“Rashba Valleys and Quantum Hall States in Few-Layer Black Arsenic”。该工作首次在黑砷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，实现了对自旋的高速精准控制；同时在全新的自旋-能谷耦合的Rashba物理现象中，发现了新奇的量子霍尔态。夏庆林副教授为并列（第一）通讯作者。中南大学钟绵增特聘副教授参与了该研究工作。

量子效应一直是凝聚态物理领域研究关注的前沿和重点。二维材料体系的发现为研究量子效应、量子调控及其应用提供了丰富而理想的材料平台。该工作研究了在极端条件下（强磁场，最大15特斯拉；极低温，最低0.27K）层状黑砷的磁电输运性质，在少层黑砷场效应晶体管器件中诱导出高迁移率的双极性二维电子态系统（2DESs），即二维电子气（2DEGs）和二维空穴气（2DHGs）。发现外电场在黑砷体系中可以连续可逆地诱导出非常强的Stark效应和Rashba效应，其协同作用导致黑砷能带出现粒子-空穴不对称的Rashba能谷：黑砷2DEGs对应传统的Γ Rashba能带；而2DHGs中则出现全新的自旋-能谷耦合的Rashba能带劈裂，并对应朗道能级翻越的反常量子霍尔态行为。本研究工作充分展示了二维极限下自旋-轨道耦合效应的场效应调控的可行性和发展前景，为高效率、低能耗自旋电子器件研制提供了坚实的基础，对进一步加深对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。

图为Rashba和Stark效应协同作用在少层黑砷中形成耦合的Rashba能谷

图为粒子-空穴不对称的黑砷二维空穴气和二维电子气中栅压可调控的Rashba能谷形成的量子霍尔特征

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