半导体中的自旋-轨道耦合效应是实现半导体量子信息技术的核心物理,为使用电场控制载流子运动来实现自旋的生成、输运、操控和读取等基本逻辑操作提供了有效途径。自旋-轨道耦合效应同时催生了当前凝聚态物理的国际研究热点自旋-轨道电子学,涵盖了自旋场效应晶体管、自旋霍尔效应、量子自旋霍尔效应、拓扑绝缘体、马约拉纳费米子、外尔半金属、狄拉克材料、自旋-轨道力矩、自旋-轨道量子比特、冷原子系统和手征性磁振子学等。发展兼容传统微电子工艺的半导体量子技术是实现大规模集成量子信息技术和传统微电子与量子器件混合集成的基础,经过近三十的广泛研究,硅基量子技术已经取得了多项里程碑的进展,例如硅自旋场效应晶体管的某些功能已经实现室温工作,在低温下实现全电全半导体的硅自旋晶体管双逻辑门运算,这标志硅基半导体量子信息技术的成功已经出现曙光。但是,包括硅在内的经典半导体面临Rashba自旋轨道耦合效应强度不能满足应用需要的困境,这催生了在新材料中寻找强自旋-轨道耦合效应的研究方向,但是这些新材料同样面临难以兼容硅微电子工艺的问题。

中科院半导体研究所超晶格国家重点实验室骆军委研究员近日发表的论文指出,经典半导体中Rashba自旋-轨道耦合效应太弱的问题有望在一维量子线中得以解决。无独有偶,包括intelimec在内的国际芯片巨头纷纷选择量子线作为5纳米节点的微电子集成技术。骆军委研究员在国际上首次发现经典半导体量子线中的空穴Rashba自旋-轨道耦合效应对外加电场的响应异常强烈,在一个很小的外加电场作用下Rashba效应的强度从零迅速攀升到一个很大的饱和值,随后Rashba效应的强度不随电场的继续增大而发生改变。使用经典模型理论发现,量子线中空穴Rashba效应起源于电场引起的空穴子带间的耦合,量子束缚效应和量子束缚斯塔克效应引起子带劈裂的竞争关系导致空穴Rashba效应随电场从线性增加快速过渡到饱和。这一性质可以用来发展超高速自旋-轨道效应量子器件。而且,空穴的耦合强度要比电子的耦合强度大2个数量级,即使对于自旋-轨道相互作用很弱的硅,它的量子线拥有的空穴Rashba效应的饱和强度也接近文献报道的InAs等窄带隙半导体电子Rashba效应的最大值。而且,硅量子线中空穴Rashba效应的饱和强度不受量子线大小和电场大小涨落的影响,这些奇特性质让硅量子线成为研制自旋-轨道效应量子器件非常有前途的材料。这项研究成果将有力推动半导体量子器件的研究。该项研究工作从最初数据到最后发表前后历经七年,近日发表在PRL上(DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.126401该研究工作得到了国家自然科学基金委、中组部青年千人计划的大力支持。

骆军委研究员在经典半导体材及低维量子结构的自旋-轨道效应进行了深入系统的研究,取得了一系列重要成果。2009年在PRL上首次报道了经典半导体块体材料中Dresselhaus自旋-轨道耦合效应引起的能带自旋劈裂在整个布里渊区的分布,发现Dresselhaus效应引起的自旋劈裂最大值位于(210)方向,而不是普遍认为的(110)方向;2010年在PRL上报道了二维量子阱中的空穴Dresselhaus效应存在非常强的线性项,推翻了著名量子器件物理学家D.Loss教授等提出的最低阶为三次方项的理论。2011年在PRB RapidComm上报道了在III-V族等非中心对称半导体一维量子线中Dresselhaus效应引起的自旋劈裂消失的反常现象,使用群论对称性对此作了完美解释,并被北大沈波教授在实验上所证实[NanoLett15, 1152(2015)]。2014年在世界上首次提出自旋轨道耦合效应起源于晶体中的原子局域对称性的全新理论,推翻了来源于晶体整体对称性的传统观点,为Dresselhaus效应和Rashba效应提供了统一理论,揭示包括硅和锗在内的中心对称材料中存在隐藏的自旋极化效应,发现了R2D2两类隐藏的新型自旋轨道耦合效应。骆军委研究员为共同通讯作者的纯理论研究成果发表于Nature Physics 10, 387(2014),评论员文章认为该理论将被写入教科书。论文一经发表引起了广泛的跟踪研究,开辟了隐藏物理效应的新研究领域。

 

References

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[2]       Jun-Wei Luo, A. N. Chantis, M. van Schilfgaarde, G. Bester, and A. Zunger, “Discovery of a Novel Linear-in-k Spin Splitting for Holes in the 2D GaAs/AlAs System”, Phys. Rev. Lett. 104, 066405 (2010). (pdf file). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.104.066405.

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[4]       X.W. Zhang, Q.H. Liu, Jun-Wei Luo*, A. Freeman, and Alex Zunger*, “Hidden spin polarization in inversion-symmetric bulk crystals”, Nature Physics 10, 387 (2014). (pdf file). DOI: 10.1038/nphys2933.

[5]       Jun-Wei Luo*, S.S. Li, and A. Zunger*, “Rapid saturation of the hole Rashba effect under electric field in semiconductor nanowires”, Phys. Rev. Lett. 119, 126401 (2017). (pdf file). DOI:  https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.126401.