Cada elétron carrega uma carga elementar negativa, cujo movimento coletivo gera correntes elétricas que impulsionam o funcionamento das luzes, transistores e todos os tipos de dispositivos eletrônicos. Contudo, como sendo uma partícula elementar, elétron também possui um momento angular intrínseco, ou seja, rotação de 1/2. Tem sido uma meta tentadora manipular spins de elétrons para desenvolver dispositivos eletrônicos mais rápidos e eficientes em termos de energia desde que Datta e Das propuseram a ideia do transistor de efeito de campo de spin na década de 1990.

Recentemente, a equipe de pesquisa liderada pelo Prof. Zheng Yi no Departamento de Física da Universidade de Zhejiang fez um grande avanço. A equipe demonstrou que os efeitos sinérgicos entre o acoplamento spin-órbita (SOC) e o efeito Stark podem ser ativados de forma contínua e reversível por um portão eletrostático externo em arsênio preto de poucas camadas centrossimétrico (BAs). Usando esse efeito orquestrador, eles descobriram a formação de bandas Rashba com sabor de spin-valley e estados Hall quânticos não convencionais (QHSs) nos gases de buraco bidimensional de BAs pela primeira vez. O estudo foi publicado em Natureza em 6 de maio, intitulado "Vales de Rashba e estados quânticos do Hall em arsênico negro de poucas camadas".

Os transistores baseados na tecnologia CMOS ligam e desligam controlando o fluxo de corrente nos canais por meio de efeitos de campo. Contudo, a manipulação coletiva de spins de elétrons para formar um botão liga e desliga é bastante desafiadora, porque as orientações de spin durante o movimento do elétron podem ser facilmente invertidas por vários mecanismos de espalhamento.

"Para desenvolver dispositivos eletrônicos baseados em spin, devemos primeiro ser capazes de manipular a orientação do giro de forma eficaz, o que nos permitiria construir FETs de spin controlando o fluxo de corrente de spin usando válvulas de spin, "Zheng Yi disse." O surgimento de novos materiais bidimensionais abre enormes oportunidades na manipulação de spins de elétrons de uma maneira rápida e eficiente pelo efeito de acoplamento spin-órbita. Em sistemas 2D pesados, o movimento orbital dos elétrons de condução no campo de cristal periódico é fortemente atraído pelo núcleo carregado positivamente, produzindo um acoplamento relativístico entre o spin do elétron e a direção do movimento orbital no caso de quebra da simetria de inversão. "

Zheng Yi et al. descobriram que, ao introduzir um campo elétrico externo, o efeito SOC nos sistemas eletrônicos 2D (2DESs) de arsênico preto de poucas camadas pode ser continuamente e reversivelmente ligado e desligado. Essa descoberta, em princípio, fornece uma maneira eficiente de realizar dispositivos de switch de rotação de alta velocidade, controlando o fluxo de spins de elétrons usando SOC ajustável por gate.

Conforme mostrado na Fig. 1, tais FETs de spin baseados em SOC ajustáveis ​​por porta têm duas válvulas ferromagnéticas com a mesma orientação de magnetização. Os elétrons injetados, spin polarizado pela válvula de spin esquerda, pode passar rapidamente através do canal BAs sem inverter as orientações de spin na ausência de uma tensão de porta. Uma vez que o campo elétrico externo é aplicado, o fluxo da corrente de rotação é bloqueado pela válvula de rotação direita devido à rotação de rotação induzida por SOC no canal BAs, cumprindo assim a função de spin FETs.

Em comparação com o transistor CMOS à base de silício, esse switch baseado em rotação é caracterizado por sua velocidade de comutação rápida e baixo consumo de energia. "Os pesquisadores podem usar este efeito SOC ajustável para controlar o fluxo de rotação com eficiência e desenvolver componentes eletrônicos prototípicos, como FETs de rotação no futuro, "disse Zheng Yi.

Neste estudo, os pesquisadores descobriram uma formação única de bandas Rashba assimétricas com buracos de partículas nos 2DESs de BAs. Para gases de furo 2D, eles perceberam manipulações do vale de Rashba ajustáveis ​​ao portão, marcado por transições não convencionais de pares para ímpares em estados Hall quânticos devido à formação de um espectro de nível de Landau dependente de sabor.

"É realmente emocionante descobrir algo totalmente novo ao explorar o desconhecido. Temos muita sorte em descobrir a física de Rashba com sabor de spin-valley e os fenômenos de quantização exóticos relacionados em BAs, que pode se tornar uma plataforma sem precedentes para explorar a computação quântica topológica e para a nova eletrônica baseada em spin no futuro, "disse Zheng Yi.

Em seus experimentos de acompanhamento, os pesquisadores agora estão estudando os 2DESs de BAs de poucas camadas em campos magnéticos superiores, esperando ver uma nova física relacionada a SOC e Rashba mais fascinante, como o efeito Hall do vale quântico e o efeito Hall do quantum fracionário.