Manipulation of the Rashba effect in layered tellurides MTe (M = Ge, Sn, Pb)

近日，上海大学量子与分子结构国际中心(ICQMS)、理学院物理系任伟团队在国际著名期刊《Journal of Material Chemistry C》(IF= 6.641)上发表题为《Manipulation of the Rashba effect in layered tellurides MTe (M = Ge, Sn, Pb)》的文章（DOI: 10.1039/D0TC00003E）。理学院物理系博士研究生刘畅同学为论文第一作者，任伟教授为通讯作者。物理系量子中心英国学者Lee Alan Burton和高恒博士参与了该论文工作的完成，上海大学为第一单位。

电子具有电荷和自旋两种内禀属性，但传统的电子器件仅利用了电子的电荷属性而忽略了自旋属性。如今人们认为电子的自旋比电荷具有更优越的性能，如退相干时间长、能耗低、运行速度快等。因此，自旋有望成为新一代电子器件的载体，随之兴起的学科即自旋电子学，一般来说，电场可以调控电荷但无法调控自旋，自旋的调控需要磁场，然而，人们对磁场的掌控不如对电场的掌控那么方便和节约能耗。自旋轨道耦合（spin-orbit coupling，SOC）的存在，使得电场调控电子的自旋成为可能，通过电场调控电子的轨道运动间接调控电子的自旋。

自旋轨道耦合是一种相对论效应。当电子在电场中运动时，根据相对论的洛伦兹变换，在电子的静止参考系中，电子会感受到一个和电场以及电子运动有关的等效磁场。在各种自旋轨道耦合（SOC）中，Rashba自旋轨道耦合最受关注，因为使用外电场调控Rashba自旋轨道耦合最为简单。Rashba自旋轨道耦合通常来源于结构反演不对称性（structure inversion asymmetry，SIA）。除了SIA之外，在真实材料中还存在另外一种反演不对称——体反演不对称（bulk inversion asymmetry，BIA），它会诱导Dresselhaus型的自旋轨道耦合。在许多材料中，Rashba和Dresselhaus型的自旋轨道耦合交织在一起会带来许多有趣的物理现象。

理学院任伟教授团队基于上述思路，利用第一性原理方法不断设计Rashba SOC材料。在最近发表的文章中，他们计算了实验合成的单层和多层二维碲化锗(GeTe)半导体材料的能带结构，由于SIA的存在，他们发现了布里渊区中心的巨大Rashba劈裂，并且能被外加电场调控，正向电场能够增强劈裂而反向电场也会削弱劈裂，当电场强度足够大时，体系会出现绝缘金属转变。同时他们发现在导带顶和价带低的自旋纹理分布和其三维块体表现并不一样，这种在费米能上下附近能带电子/空穴自旋方向不匹配的现象与之前在有机无机杂化钙钛矿能带中的类似，而后者基于此来解释了其中长载流子寿命导致优异的光电性能。他们发现在双层二维碲化锗中的Rashba劈裂导致的间接带隙和自旋不匹配同样会导致长载流子寿命，从而提供了一种可能的自旋场效应管模型，在低维自旋电子学领域有着潜在的应用

该工作得到了国家基金委、科技部和上海市等项目的支持.