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北京大学首次发现隐藏自旋极化诱导的偶数量子霍尔效应 |
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2024年7月22日，北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授研究团队与南京大学袁洪涛教授团队、以色列威兹曼研究院颜丙海教授团队在nature nanotechnology期刊在线发表了题为“even-integer quantum hall effect in an oxide caused by a hidden rashba effect”（氧化物中隐藏自旋极化效应诱导的偶数量子霍尔效应）的研究论文，报道了二维铋基半导体硒氧化铋（bi2o2se）中新奇的隐藏自旋极化，并首次发现了偶数量子霍尔效应。
北京大学彭海琳教授、南京大学袁洪涛教授以及以色列威兹曼研究院的颜丙海教授是该论文工作的共同通讯作者，共同第一作者包括北京大学化学与分子工程学院博雅博士后王璟岳、南京大学黄俊伟研究员、以色列威兹曼研究院daniel kaplan、北京大学化学与分子工程学院博士毕业生周雪涵与bms fellow博士后谭聪伟。该工作涉及的脉冲强磁场实验均完成于华中科技大学的国家脉冲强磁场科学中心，得到了朱增伟教授及左华坤工程师的大力支持。该工作合作者还包括北京大学物理学院的高鹏教授与以色列威兹曼研究院的ady stern教授等。
图：硒氧化铋中偶数量子霍尔效应的发现。
量子霍尔效应是20世纪以来凝聚态物理学中最重要的科学发现之一。二维电子气系统在低温强磁场下，单电子能量会分裂成朗道能级，此时霍尔电阻随强磁场变化不再满足线性关系，而出现量子化平台，且是常数h/e2除以整数或某特定分数（朗道能级的填充因子）。这种整数和分数量子霍尔效应分别在1980年和1982年在实验中被发现，开启了人们对拓扑物态的研究。量子霍尔效应因无耗散的拓扑边界态，体系的纵向电阻为零，有望构建无耗散或低功耗电子器件，克服芯片的发热和能量耗散问题。
然而，实验上观测量子霍尔效应的难度很大，往往需要高迁移率二维电子气的材料体系，而且这些材料的制备条件苛刻，实验测量过程复杂。近年来，二维半导体材料的发展为探索量子霍尔效应和新奇量子物态提供了新机遇。在二维半导体材料中，可以在原子层面上对体系的电荷、轨道以及自旋等自由度进行操控，进而实现对称性、极化场、自旋轨道耦合、能带以及自旋织构的精准调控。迄今，虽然科学家们在多种二维半导体材料体系（如黑磷、硒化铟等）中观测到了整数量子霍尔效应，但因体系中的自旋轨道耦合较弱，强磁场下塞曼效应导致奇数与偶数量子化平台同时出现。量子霍尔效应中奇/偶量子物态的调控一直没有取得实验突破。
针对以上问题，北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授研究团队与南京大学袁洪涛教授团队、以色列威兹曼研究院颜丙海教授团队合作，提出了在强自旋轨道耦合系统中通过对称性调控实现奇/偶量子霍尔态调控的设计策略，并基于自主开发的高迁移率二维铋基半导体硒氧化铋材料体系，首次发现隐藏自旋极化诱导的偶数量子霍尔效应，并实现了量子霍尔效应中奇/偶量子态的精确控制。
图1：基于二维硒氧化铋体系的隐藏自旋极化诱导的偶数量子霍尔效应示意图。
近年来，北京大学彭海琳教授课题组开发了一种超高迁移率二维铋基半导体硒氧化铋（bi2o2se）及其高k原生氧化物栅介质（bi2seo5），并基于此体系制备了一系列高速低功耗晶体管、超快高敏红外探测器以及高性能气体传感器（nature nanotech. 2017, 12, 530; nature commun. 2018, 9, 3311; nature electron. 2020, 3, 473; nature electron. 2022, 5, 643; nature mater. 2023, 22, 832; nature 2023, 616, 66）。在高迁移率二维半导体硒氧化铋中，贡献输运的电子主要来自重元素铋（bi）的p轨道，因此具有很强的自旋轨道耦合，是探索全新量子霍尔效应的理想平台。彭海琳教授课题组早在2015年6月20日在实验中率先发现并合成二维半导体硒氧化铋时，就开始了硒氧化铋中的量子霍尔效应的前期实验探测。但量子霍尔效应对材料的质量和实验条件的要求非常苛刻，实现非常困难。高质量的材料是实现量子霍尔效应的关键。经过多年不懈努力，课题组在国际上率先建立了二维硒氧化铋单晶的化学气相沉积方法和分子束外延生长方法，实现了对样品生长过程在原子水平上的精确控制，二维单晶薄膜样品的质量达到了国际领先水平。
近期，研究团队的实验发现，在50 t的脉冲强磁场下，高质量的层状硒氧化铋中出现全新的偶数量子霍尔效应（填充因子ν = 2、4、6、8…），而奇数量子霍尔平台（填充因子ν = 1、3、5、7…）全部缺失。理论结合实验研究发现，硒氧化铋中强磁场下的全新偶数量子霍尔效应源于其自身独特的隐藏自旋极化效应。在层状硒氧化铋的[bi2o2]2 导电通道中，上下两层铋原子层由于对称性破缺都有很大的自旋极化，但这两层铋原子的自旋极化却恰好方向相反，此时[bi2o2]2 中形成了双层rashba的特殊结构（图1）。在双层rashba结构中，在材料本身具备反演对称性的前提下其能带是自旋简并的，因此每层铋原子层的自旋极化被“抵消”或“隐藏”了起来。理论计算表明，这种特殊的隐藏rashba效应（hidden rashba effect）会显著地降低材料在强磁场下的塞曼劈裂，[bi2o2]2 中铋原子层导电通道总是成对出现，从而给硒氧化铋带来独特的偶数量子霍尔效应（图2）。实验表明，钛酸锶（srtio3）衬底上外延生长的6个单胞厚硒氧化铋薄膜中在高达50 t强磁场下展示纯偶数量子霍尔效应，而化学气相沉积法生长的自支撑的硒氧化铋纳米片中在9 t磁场下也出现了明显的偶数量子霍尔效应。
图2：（a）硒氧化铋量子霍尔器件以及偶数量子霍尔效应示意图。（b）钛酸锶衬底上外延生长的6个单胞厚硒氧化铋薄膜中的偶数量子霍尔效应。（c, d）化学气相沉积法生长的硒氧化铋纳米片中在9 t磁场下的偶数量子霍尔效应。
研究团队发现，通过改变硒氧化铋的面外极化场，可以有效地调节其中的偶数量子霍尔效应。研究人员通过分子束外延生长技术，在氧化钛tio2面终止的钛酸锶（100）衬底表面生长了高质量硒氧化铋薄膜，且厚度精确可控。由于生长衬底与外延层界面处的原子结构为tio2-[bi2o2]2 ，硒氧化铋薄膜在衬底界面处缺失一层硒（se）原子（图3a-c），整个薄膜在面外方向呈现出不对称的janus结构，进而在界面处会产生很大的面外极化场。通常电子波函数主要分布于薄膜的内部，所以在相对厚层（≥2.5晶胞厚度）的硒氧化铋中电子的输运行为受界面极化场的影响要比在超薄膜中小得多。随着薄膜的厚度减小到1个晶胞厚度(1 uc)，薄膜中电子波函数靠近界面，并受到界面极化场的强烈影响。此时，非对称的超薄硒氧化铋会表现出强烈的全局rashba效应（图3d-f），隐藏rashba效应因面外极化场的存在而消失。理论计算表明，隐藏rashba效应消失时，硒氧化铋的塞曼劈裂不再被抑制，在实验上可同时观测到奇数与偶数量子化平台共存的量子霍尔效应（图3j）。
图3：（a-c）钛酸锶衬底上外延生长不同厚度硒氧化铋的截面高分辨透射电镜成像。由于衬底与外延层的界面硒缺失，外延薄膜硒氧化铋呈现不对称的janus结构。(d-f)外延生长不同厚度的硒氧化铋中的全局rashba劈裂。（h-j）不同厚度的硒氧化铋外延薄膜在强磁场下的量子霍尔效应。在具有不对称janus结构的超薄（1个晶胞厚度）样品中可同时观测到奇数与偶数的量子霍尔平台。
该项研究工作首次发现和调控了硒氧化铋中独特的偶数量子霍尔效应。研究工作表明，具有强自旋轨道耦合效应和超高迁移率的二维半导体硒氧化铋是发现新奇量子霍尔效应、调控能带拓扑与自旋织构、探究自旋相关物理现象、以及构筑高速低功耗自旋电子学器件的理想材料平台。
该研究得到国家自然科学基金委、科技部、北京分子科学国家研究中心、腾讯基金会、北京大学博雅博士后、欧洲研究理事会、以色列科学基金会等机构和项目的资助，并得到了北京大学化学与分子工程学院分子材料与纳米加工实验室（mmnl）仪器平台的大力支持。（来源：科学网）
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