Cada electrón lleva una carga elemental negativa, cuyo movimiento colectivo genera corrientes eléctricas que impulsan el funcionamiento de las luces, transistores y todo tipo de dispositivos electrónicos. Sin embargo, como una partícula elemental, electrón también posee un momento angular intrínseco, es decir, giro de 1/2. Ha sido un objetivo tentador manipular los espines de los electrones para desarrollar dispositivos electrónicos más rápidos y energéticamente eficientes desde que Datta y Das propusieron la idea del transistor de efecto de campo de espín en la década de 1990.

Recientemente, el equipo de investigación dirigido por el profesor Zheng Yi del Departamento de Física de la Universidad de Zhejiang logró un gran avance. El equipo demostró que los efectos sinérgicos entre el acoplamiento espín-órbita (SOC) y el efecto Stark pueden activarse de forma continua y reversible mediante una puerta electrostática externa en arsénico negro (BA) centrosimétrico de pocas capas. Usando tal efecto de orquestación, descubrieron la formación de bandas de Rashba con sabor a valle de espín y los estados cuánticos de Hall (QHS) no convencionales en los gases de los huecos bidimensionales de los BA por primera vez. El estudio fue publicado en Naturaleza el 6 de mayo titulado "Valles de Rashba y estados cuánticos de Hall en arsénico negro de pocas capas".

Los transistores basados ​​en tecnología CMOS se encienden y apagan controlando el flujo de corriente en los canales a través de efectos de campo. Sin embargo, la manipulación colectiva de los giros de electrones para formar un interruptor de encendido y apagado es bastante desafiante, porque las orientaciones de espín durante el movimiento de los electrones pueden cambiarse fácilmente mediante varios mecanismos de dispersión.

"Para desarrollar dispositivos electrónicos basados ​​en espines, primero deberíamos poder manipular la orientación de giro de manera efectiva, lo que nos permitiría construir FET de giro controlando el flujo de corriente de giro mediante válvulas de giro, ", Dijo Zheng Yi." La aparición de nuevos materiales bidimensionales abre enormes oportunidades para manipular los espines de los electrones de una manera rápida y eficiente mediante el efecto de acoplamiento espín-órbita. En sistemas 2D pesados, el movimiento orbital de los electrones de conducción en el campo cristalino periódico es fuertemente atraído por el núcleo cargado positivamente, produciendo un acoplamiento relativista entre el espín del electrón y la dirección del movimiento orbital en el caso de ruptura de la simetría de inversión ".

Zheng Yi y col. encontró que al introducir un campo eléctrico externo, el efecto SOC en los sistemas electrónicos 2D (2DES) de arsénico negro de pocas capas puede activarse y desactivarse de forma continua y reversible. Este hallazgo, en principio, proporciona una forma eficiente de realizar dispositivos de conmutación de giro de alta velocidad mediante el control del flujo de espines de electrones utilizando SOC sintonizable por puerta.

Como se muestra en la Fig.1, Estos FET de giro basados ​​en SOC sintonizables por compuerta tienen dos válvulas ferromagnéticas con la misma orientación de magnetización. Los electrones inyectados, giro polarizado por la válvula de giro izquierda, puede pasar rápidamente a través del canal BAs sin cambiar las orientaciones de giro en ausencia de un voltaje de puerta. Una vez que se aplica el campo eléctrico externo, El flujo de corriente de giro está bloqueado por la válvula de giro derecha debido a la rotación de giro inducida por SOC en el canal BAs, cumpliendo así la función de spin FET.

En comparación con el transistor CMOS basado en silicio, Este tipo de conmutador giratorio se caracteriza por su rápida velocidad de conmutación y su bajo consumo de energía. "Los investigadores pueden usar este efecto SOC ajustable por puerta para controlar el flujo de giro de manera eficiente y desarrollar componentes electrónicos prototípicos como los FET de giro en el futuro, "dijo Zheng Yi.

En este estudio, Los investigadores descubrieron una formación única de bandas Rashba asimétricas con agujeros de partículas en las 2DES de los BA. Para gases de pozo 2D, se dieron cuenta de manipulaciones del valle de Rashba ajustables a la puerta, marcado por transiciones no convencionales pares a impares en los estados cuánticos de Hall debido a la formación de un espectro de nivel de Landau dependiente del sabor.

"Es realmente emocionante descubrir algo nuevo al explorar lo desconocido. Tenemos mucha suerte de descubrir la física de Rashba con sabor a valle de espín y los fenómenos de cuantificación exóticos relacionados en los BA, que puede convertirse en una plataforma sin precedentes para explorar la computación cuántica topológica y para la electrónica novedosa basada en espines en el futuro, "dijo Zheng Yi.

En sus experimentos de seguimiento, los investigadores ahora están estudiando los 2DES de BA de pocas capas en campos magnéticos más altos, esperando ver una nueva física más fascinante relacionada con SOC y Rashba, como el efecto Hall del valle cuántico y el efecto Hall cuántico fraccional.