Ogni elettrone porta una carica elementare negativa, il cui moto collettivo genera correnti elettriche che azionano il funzionamento delle luci, transistor e tutti i tipi di dispositivi elettronici. Però, come una particella elementare, l'elettrone possiede anche un momento angolare intrinseco, cioè spin di 1/2. È stato un obiettivo allettante manipolare gli spin degli elettroni per sviluppare dispositivi elettronici più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico da quando Datta e Das hanno proposto l'idea del transistor ad effetto di campo di spin negli anni '90.

Recentemente, il team di ricerca guidato dal Prof. Zheng Yi presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Zhejiang ha fatto un importante passo avanti. Il team ha dimostrato che gli effetti sinergici tra l'accoppiamento spin-orbita (SOC) e l'effetto Stark possono essere attivati ​​in modo continuo e reversibile da una porta elettrostatica esterna in arsenico nero centrosimmetrico a pochi strati (BA). Usando un tale effetto orchestrante, hanno scoperto per la prima volta la formazione di bande Rashba al gusto di spin-valle e gli stati di Hall quantistici non convenzionali (QHS) nei gas bidimensionali delle lacune dei BA. Lo studio è stato pubblicato su Natura il 6 maggio, intitolato "Valli di Rashba e stati di Hall quantistica in arsenico nero a pochi strati".

I transistor basati sulla tecnologia CMOS si accendono e si spengono controllando il flusso di corrente nei canali tramite effetti di campo. Però, la manipolazione collettiva degli spin degli elettroni per formare un interruttore on-off è piuttosto impegnativa, perché gli orientamenti di spin durante il movimento degli elettroni possono essere facilmente capovolti da vari meccanismi di diffusione.

"Per sviluppare dispositivi elettronici basati su spin, dovremmo prima essere in grado di manipolare efficacemente l'orientamento della rotazione, che ci consentirebbe di costruire FET di spin controllando il flusso di corrente di spin mediante valvole di spin, Zheng Yi ha detto. "L'emergere di nuovi materiali bidimensionali apre enormi opportunità nella manipolazione degli spin degli elettroni in modo rapido ed efficiente mediante l'effetto di accoppiamento spin-orbita. Nei sistemi 2D pesanti, il moto orbitale degli elettroni di conduzione nel campo cristallino periodico è fortemente attratto dal nucleo caricato positivamente, producendo un accoppiamento relativistico tra lo spin dell'elettrone e la direzione del moto orbitale in caso di rottura della simmetria di inversione."

Zheng Yi et al. trovato che introducendo un campo elettrico esterno, l'effetto SOC nei sistemi elettronici 2D (2DES) dell'arsenico nero a pochi strati può essere attivato e disattivato in modo continuo e reversibile. Questa scoperta in linea di principio fornisce un modo efficiente per realizzare dispositivi di commutazione di spin ad alta velocità controllando il flusso di spin di elettroni utilizzando SOC sintonizzabile su gate.

Come mostrato in Fig. 1, tali FET di spin basati su SOC sintonizzabili su gate hanno due valvole ferromagnetiche con lo stesso orientamento di magnetizzazione. Gli elettroni iniettati, spin polarizzato dalla valvola di rotazione sinistra, può passare rapidamente attraverso il canale BAs senza invertire gli orientamenti di spin in assenza di una tensione di gate. Una volta applicato il campo elettrico esterno, il flusso di corrente di spin è bloccato dalla valvola di rotazione destra a causa della rotazione di spin indotta da SOC nel canale BAs, adempiendo così alla funzione di spin FET.

Rispetto al transistor CMOS a base di silicio, un tale interruttore basato su spin è caratterizzato dalla sua rapida velocità di commutazione e dal basso consumo energetico. "I ricercatori possono utilizzare questo effetto SOC sintonizzabile sul gate per controllare il flusso di spin in modo efficiente e sviluppare componenti elettronici prototipici come i FET di spin in futuro, " disse Zheng Yi.

In questo studio, i ricercatori hanno scoperto un'unica formazione di banda Rashba asimmetrica particella-foro nei 2DES dei BA. Per gas foro 2D, hanno realizzato manipolazioni della valle di Rashba sintonizzabili sul cancello, caratterizzato da transizioni non convenzionali pari a dispari negli stati quantistici di Hall dovute alla formazione di uno spettro di livello Landau dipendente dal sapore.

"È davvero emozionante scoprire qualcosa di nuovo di zecca quando si esplora l'ignoto. Siamo piuttosto fortunati a scoprire la fisica Rashba dal sapore di spin-valle e i relativi fenomeni di quantizzazione esotici nei BA, che potrebbe diventare una piattaforma senza precedenti per esplorare il calcolo quantistico topologico e per una nuova elettronica basata sullo spin in futuro, " disse Zheng Yi.

Nei loro esperimenti successivi, i ricercatori stanno ora studiando i 2DES di BA a pochi strati in campi magnetici superiori, aspettandomi di vedere una nuova fisica più affascinante relativa a SOC e Rashba, come l'effetto Hall della valle quantistica e l'effetto Hall quantistico frazionario.