孙健教授在Nano Letters发表新奇自旋态输运的研究成果

chedan

国际顶尖学术刊物《纳米快报》 （Nano Letters 自然指数期刊，影响因子 12.08）发表了我校物理与电子学院“超微结构与超快过程湖南省重点实验室”孙健教授实验观测到的硅锗纳米线中空穴螺旋自旋态（Helical Spin State）输运的研究成果。论文题目为：“Helical Hole State in Multiple Conduction Modes in Ge/Si Core/Shell Nanowire。”此研究成果是孙健教授与日本理化学研究所Ishibashi研究团队及美国哈佛大学Liber教授团队合作完成。孙健教授是论文的第一和唯一通讯作者。

（图为纳米线中自旋螺旋能带间隙与对应的一维输运中的电导折返现象）

在纳米尺度下，材料中的量子效应、界面效应等新奇的现象会凸显出来。近几年来，随着对各种纳米材料的深入研究，发现了一些独特的物理性质，如各向异性、自旋效应、手性、超导、拓扑效应等，其在纳米器件方面的有着重要的物理意义和巨大的应用价值而受到人们的极大关注。已知在有强自旋轨道耦合的半导体中，施加磁场能在两个自旋能带接触点打开一个特殊的能隙，即自旋螺旋态，其自旋与动量被锁定在一起。在一维体系中，该表现为整数量子电导平台上的半整数折返。

本研究采用了有很强Rashba自旋耦合的锗硅核壳纳米线，通过测量其一维准弹道输运性质，在低温下首次观测空穴体系的电导折返效应并验证了了空穴自旋螺旋态的存在。相比三五族系材料，硅锗均为四族半导体，少量的核自旋大大提升了自旋的弛豫时间。同时相比电子体系，空穴的有效自旋为3/2，自旋动量的耦合更强，可以实现自旋的纯电学调控。对于该物理现象和原理深入研究，将有助于未来新功能材料的开发和新型电子自旋器件的提出。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b01799