浙江大学&中南大学Nature:揭秘黑砷中自旋轨道耦合与斯塔克效应的协同作用

【引言】

当自旋轨道耦合（SOC）与库仑相互作用、拓扑结构和外部调制力动态相互作用时，非中心对称二维电子系统中可能会出现令人兴奋的现象。当耦合通过量子约束的原子精度控制和电场的外部调制、电荷掺杂和/或范德韦尔斯(vdW)异质结构进行调谐时，vdW晶体的出现为探索二维极限中的SOC物理提供了前所未有的机会。

今日，浙江大学郑毅研究员，许祝安教授联合中南大学夏庆林副教授（共同通讯作者）报道了中心对称的几层黑砷中SOC和斯塔克（Stark）效应之间的协同效应，表现为粒子-孔不对称的拉什巴（Rashba）效应和由静电门控可逆控制的量子霍尔态。这些不寻常的缺陷源于黑砷的弯曲正方形晶格，其中4p轨道形成一个具有P_z对称的以布里渊区为中心的Γ谷，在X点的时间恢复不变动量附近与P_x起源的D谷共存。当垂直电场破坏了结构反转对称时，P_x带激活强拉什巴SOC，产生自旋谷有利的D^±谷，而Γ谷的拉什巴分裂受到P_z对称的限制。有趣的是，巨大的斯塔克效应表现出相同的P_x轨道选择性。这种协调能够实现对二维空穴气体的可调的拉什巴谷，特征在于量子霍尔态依赖的朗道能级的形成，量子霍尔态中非常规的跃迁奇偶性问题。相关研究成果以“Rashba valleys and quantum Hall states in few-layer black arsenic”为题发表在Nature上。

【图文导读】

图一、Rashba和Stark效应的协同作用

图二、BAs 2DHG和2DEG中的SdHOs和QHS转换

图三、Rashba谷形成的量子霍尔特征

图四、BAs 2DHG和2DEG的Rashba拓扑结构

文献链接：“Rashba valleys and quantum Hall states in few-layer black arsenic”(Nature，2021，10.1038/s41586-021-03449-8)

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