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仪表网 研发快讯】自旋电子学是通过对晶体管中电子自旋角动量的有效操纵，实现自旋信息的存储、传输和处理，被视为未来信息技术发展的重要方向之一;而自旋轨道耦合效应则提供了一种通过外电场调控电子轨道运动进而控制电子自旋状态的重要途径。对于结构反演对称性破缺的体系，静电势梯度引发的自旋轨道耦合作用会导致能带劈裂，形成一对自旋 -动量锁定且自旋方向相反的能带结构，即文献中提到的Rashba效应，这也是自旋电子学中的重要物理效应之一。有趣的是，铁电极化也往往源于晶体中心对称性的破缺，表现出自发和可切换的自旋极化。这些物理现象引发了研究人员对开发铁电型Rashba半导体这一新型自旋电子学材料的兴趣，即利用外电场控制铁电极化反转来调控自旋角动量。以往的研究主要集中在寻找Rashba效应和铁电性共存的单一材料，然而这些材料的Rashba效应相对较小，难以在实验中观察到明显的自旋劈裂。
针对以上问题，中国科学院上海高等研究院(上海光源中心)的梁兆峰/宋飞研究员团队提出基于面外极化二维铁电体和二维层状材料构建具有强界面相互作用的范德瓦尔斯异质结，不仅能够实现对铁电性质的调控，还能显著增强Rashba自旋劈裂效应。相关成果发表在凝聚态物理知名期刊Physical Review B上，题为“Ferroelectric manipulation and enhancement of Rashba spin splitting in van der Waals heterostructures”(Phys. Rev. B.110, 085110)。
研究团队选取了实验上已合成的MX/α-In2Se3(MX = GaTe和InSe)体系，利用第一性原理计算和k·p哈密顿方法，揭示了其Rashba自旋轨道耦合效应的铁电调控和增强的物理机制。研究发现，在GaTe/α-In2Se3异质结中，最低导带在Gamma点表现出显著增强的自旋劈裂，其Rashba系数在铁电极化向上和向下两种状态下，相较于单层α-In2Se3材料分别增强了约7倍和3倍。这种增强效应来源于层间电荷转移和镜像对称性破缺形成的强界面相互作用。这一铁电调控和增强机制也适用于其它具有相同对称性的体系。此外，基于具有四种可切换铁电极化状态的α-In2Se3/GaTe/α-In2Se3夹层结构，进一步验证了铁电极化切换可作为调控Rashba自旋轨道耦合效应的开关和增强的一个自由度。此项研究证明了二维范德瓦尔斯异质结作为潜在铁电型Rashba半导体的可行性，并对其在自旋电子器件中的潜在应用提供了重要的理论指导。
论文的第一作者是上海高等研究院上海光源中心在读博士生梁兆峰，主要通讯作者是上海高等研究院宋飞研究员，合作通讯作者是北京航空航天大学杭州国际创新研究院的华陈强副研究员。此外，浙江工业大学的王垚副教授和张金森博士在输运性质计算上提供了支持和帮助。本项工作还得到了中科院建制化中心、科技部重点研发计划和自然科学基金项目的资助。
图1. 二维异质结中Rashba自旋轨道耦合效应的铁电调控和增强示意图
图2. GaTe (InSe)/α-In2Se3异质结的能带结构与其最低导带的Rashba自旋纹理
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