Bi?O?Se納米帶中的電導(dǎo)量子化與隱藏Rashba效應(yīng) | 進(jìn)展

一維體系中的電導(dǎo)量子化現(xiàn)象不僅是電子彈道輸運(yùn)的重要標(biāo)志，也是探索量子關(guān)聯(lián)效應(yīng)的窗口。然而，受限于材料質(zhì)量及散射影響，此前在一維體系中觀測(cè)到的量子化平臺(tái)指數(shù)通常局限在10以內(nèi)（即量子化電導(dǎo)≤10×2e2/h）。如何在高質(zhì)量一維材料中實(shí)現(xiàn)更高階的彈道輸運(yùn)，并利用其獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)探索新奇物理效應(yīng)，是該領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)。近期，新興的層狀半導(dǎo)體Bi?O?Se因其超高載流子遷移率、空氣穩(wěn)定性及特殊的中心反演對(duì)稱結(jié)構(gòu)備受關(guān)注。其晶體結(jié)構(gòu)中的交替堆疊會(huì)產(chǎn)生隱藏Rashba效應(yīng)（Hidden Rashba Effect），即局部反演對(duì)稱性破缺導(dǎo)致自旋極化相反但整體自旋簡(jiǎn)并的特殊能帶結(jié)構(gòu)。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心Q02/HX-Q02組屈凡明研究員、呂力研究員團(tuán)隊(duì)，與北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院彭海琳教授、譚聰偉研究員團(tuán)隊(duì)等合作，基于化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)了高質(zhì)量Bi?O?Se納米帶，制備了納米器件，并在低溫強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下開(kāi)展了系統(tǒng)的輸運(yùn)研究。團(tuán)隊(duì)在零磁場(chǎng)下觀測(cè)到了清晰的量子化電導(dǎo)平臺(tái)，其量子化指數(shù)高達(dá)44（即44×2e2/h），遠(yuǎn)超此前在納米線等一維體系中的記錄，有力證明了該材料優(yōu)異的彈道輸運(yùn)特性。更重要的是，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在高達(dá)12 T的強(qiáng)磁場(chǎng)下，量子化電導(dǎo)平臺(tái)依然保持為2e2/h的整數(shù)倍，未出現(xiàn)常規(guī)塞曼效應(yīng)導(dǎo)致的半整數(shù)平臺(tái)（e2/h）。結(jié)合理論計(jì)算，研究團(tuán)隊(duì)指出這種現(xiàn)象源于隱藏Rashba效應(yīng)與層間耦合的競(jìng)爭(zhēng)，顯著抑制了有效g因子，從而保護(hù)了能帶的自旋簡(jiǎn)并度。此外，在特定磁場(chǎng)范圍內(nèi)，量子化電導(dǎo)序列演化為1, 3, 6, 10, 15...×2e2/h，呈現(xiàn)出帕斯卡三角形特征，揭示了納米帶在寬度和厚度兩個(gè)橫向維度上尺寸量子化效應(yīng)的獨(dú)特相互作用。

圖（a）Bi?O?Se中的隱藏Rashba效應(yīng)。（b）量子化電導(dǎo)帕斯卡三角。（c）零磁場(chǎng)下的電導(dǎo)量子化。（d）磁場(chǎng)下的電導(dǎo)量子化。

刷新了一維體系量子化電導(dǎo)階數(shù)的記錄，更通過(guò)電輸運(yùn)手段驗(yàn)證了隱藏Rashba效應(yīng)及其對(duì)磁場(chǎng)的獨(dú)特響應(yīng)。該研究成果展示了Bi?O?Se在未來(lái)自旋電子學(xué)器件中的應(yīng)用潛力，同時(shí)也為在具有強(qiáng)電子-電子相互作用的體系中研究關(guān)聯(lián)效應(yīng)提供了極具吸引力的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

物理所博士生肖建飛、馬藝文與北京大學(xué)譚聰偉研究員為論文共同第一作者，物理所屈凡明、呂力研究員與北京大學(xué)彭海琳教授、譚聰偉研究員為共同通訊作者。本工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)、綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置（SECUF）、科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目以及新基石科學(xué)基金會(huì)等的資助。相關(guān)成果以"Quantized Conductance in a CVD-Grown Nanoribbon with Hidden Rashba Effect"為題發(fā)表于Physical Review Letters 136, 046302 (2026)。

編輯：辣條