半導體所在半導體量子物理方面取得重要進展
半導體中的自旋-軌道耦合效應是實現半導體量子信息技術的核心物理，為使用電場控制載流子運動來實現自旋的生成、輸運、操控和讀取等基本邏輯操作提供了有效途徑。自旋-軌道耦合效應同時催生了當前凝聚態物理的國際研究熱點自旋-軌道電子學，涵蓋了自旋場效應晶體管、自旋霍爾效應、量子自旋霍爾效應、拓撲絕緣體、馬約拉納費米子、外爾半金屬、狄拉克材料、自旋-軌道力矩、自旋-軌道量子比特、冷原子系統和手征性磁振子學等。
發展兼容傳統微電子工藝的半導體量子技術是實現大規模集成量子信息技術和傳統微電子與量子器件混合集成的基礎，經過近三十的廣泛研究，硅基量子技術已經取得了多項里程碑的進展，例如硅自旋場效應晶體管的某些功能已經實現室溫工作，在低溫下實現全電全半導體的硅自旋晶體管雙邏輯門運算，這標誌硅基半導體量子信息技術的成功已經出現曙光。但是，包括硅在內的經典半導體面臨Rashba自旋軌道耦合效應強度不能滿足應用需要的困境，這催生了在新材料中尋找強自旋-軌道耦合效應的研究方向，但是這些新材料同樣面臨難以兼容硅微電子工藝的問題。
中科院半導體研究所超晶格國家重點實驗室駱軍委研究員近日發表的論文指出，經典半導體中Rashba自旋-軌道耦合效應太弱的問題有望在一維量子線中得以解決。無獨有偶，包括intel和imec在內的國際晶元巨頭紛紛選擇量子線作為5納米節點的微電子集成技術。駱軍委研究員在國際上首次發現經典半導體量子線中的空穴Rashba自旋-軌道耦合效應對外加電場的響應異常強烈，在一個很小的外加電場作用下Rashba效應的強度從零迅速攀升到一個很大的飽和值，隨後Rashba效應的強度不隨電場的繼續增大而發生改變。使用經典模型理論發現，量子線中空穴Rashba效應起源於電場引起的空穴子帶間的耦合，量子束縛效應和量子束縛斯塔克效應引起子帶劈裂的競爭關係導致空穴Rashba效應隨電場從線性增加快速過渡到飽和。這一性質可以用來發展超高速自旋-軌道效應量子器件。而且，空穴的耦合強度要比電子的耦合強度大2個數量級，即使對於自旋-軌道相互作用很弱的硅，它的量子線擁有的空穴Rashba效應的飽和強度也接近文獻報道的InAs等窄帶隙半導體電子Rashba效應的最大值。而且，硅量子線中空穴Rashba效應的飽和強度不受量子線大小和電場大小漲落的影響，這些奇特性質讓硅量子線成為研製自旋-軌道效應量子器件非常有前途的材料。這項研究成果將有力推動半導體量子器件的研究。該項研究工作從最初數據到最後發表前後歷經七年，近日發表在PRL（DOI: https://doi. org/ 10.1103/ PhysRevLett. 119 .126401）。該研究工作得到了國家自然科學基金委、中組部青年千人計劃的大力支持。
駱軍委研究員在經典半導體材及低維量子結構的自旋-軌道效應進行了深入系統的研究，取得了一系列重要成果。2009年在PRL上首次報道了經典半導體塊體材料中Dresselhaus自旋-軌道耦合效應引起的能帶自旋劈裂在整個布里淵區的分布，發現Dresselhaus效應引起的自旋劈裂最大值位於(210)方向，而不是普遍認為的(110)方向；2010年在PRL上報道了二維量子阱中的空穴Dresselhaus效應存在非常強的線性項，推翻了著名量子器件物理學家D.Loss教授等提出的最低階為三次方項的理論。2011年在PRBRapidComm上報道了在III-V族等非中心對稱半導體一維量子線中Dresselhaus效應引起的自旋劈裂消失的反常現象，使用群論對稱性對此作了完美解釋，並被北大沈波教授在實驗上所證實［NanoLett15, 1152(2015)］。2014年在世界上首次提出自旋軌道耦合效應起源於晶體中的原子局域對稱性的全新理論，推翻了來源於晶體整體對稱性的傳統觀點，為Dresselhaus效應和Rashba效應提供了統一理論，揭示包括硅和鍺在內的中心對稱材料中存在隱藏的自旋極化效應，發現了R2和D2兩類隱藏的新型自旋軌道耦合效應。駱軍委研究員為共同通訊作者的純理論研究成果發表於Nature Physics 10, 387(2014)，評論員文章認為該理論將被寫入教科書。論文一經發表引起了廣泛的跟蹤研究，開闢了隱藏物理效應的新研究領域。
References：
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