二维晶体的自旋-轨道-晶格耦合调控与呈展现象

报告人

Prof. Yi Zheng (郑毅) 

Zhejiang University

时间

2023年7月20日（星期四）下午4：00

地点

物质科研楼B902会议室

郑毅，浙江大学研究员。2000年本科、2003年硕士毕业于浙江大学物理学院。2008年博士毕业于新加坡国立大学物理系，方向为金属－有机半导体界面的弹道电子发射谱（BEEM）研究。博士后期间，在石墨烯/铁电异质结及其电子器件原型方向做出了原创性的工作，相关研究在非易失性存储器、透明电极、触摸屏以及低电压晶体管等方面均有潜在的应用前景。2015年获海外高层次人才青年项目资助加入浙江大学物理学院，当前主要研究方向为新型二维晶体的自旋轨道耦合调控与相关呈展现象。重要原创性成果包括：首次实验证实循环量子演化中的Aharonov-Anadan几何相位（广义Berry相位）；薄层黑砷中首次发现自旋-能谷耦合（Spin-valley Flavored）的Rashba新物理，并验证了理论预言的“朗道能级翻越”反常量子化行为；在中心反演R2-Rashba体系首次实现隐藏自旋的激活和非局域输运；以及首次发现强SOC保护的具有独特三重镜面对称性的Γ-能谷伊辛超导态等。在Nature、Nat. Nanotech. 、PRL、Nat. Commun.、Adv. Mater. 、ACS Nano等杂志发表论文50余篇，总引用超过9500余次。

报告摘要

自旋是电子的内禀属性之一，在晶体的布洛赫周期势作用下可以和轨道运动以及（或）晶格产生耦合效应，其中自旋轨道耦合（Spin-Orbit Coupling, SOC）是凝聚态中众多奇特物理现象的基础。近年来，各种具有新奇物性的重电子态二维晶体的兴起为研究二维极限下的自旋-轨道-晶格耦合新机理和高效调控手段提供了前所未有的机遇，可以结合原子层精度的量子限域效应、外场调控、电荷掺杂以及范德瓦尔斯异质结等手段来对自旋-轨道-晶格耦合实现精准有效的调控。

本报告将介绍我们研究团队在二维晶体的自旋-轨道-晶格耦合调控与相关呈展现象研究上的主要进展，包括如何在中心反演二维体系中用栅极调控破坏结构中心反演来实现对内秉SOC的激活，以及强SOC二维体系的外场调控与相关呈展现象。我们将用几个体系研究展示二维极限下SOC调控研究的丰富前景与重要意义：1）薄层黑砷中的自旋-能谷耦合Rashba新物理与反常量子霍尔态 [1, 2]；2）中心反演R2-Rashba体系中隐藏自旋的激活与自旋弛豫机制研究 [3]；3）用范德瓦尔斯反铁磁隧穿结验证循环量子演化中的Aharonov-Anadan几何相位 [4, 5]； 4）强SOC保护的二维非常规超导与具有独特三重镜面对称性的Γ-能谷伊辛超导态 [6]。最后我们将简要讨论自旋-晶格耦合对二维晶体独特磁性质及其有效调控的意义。

References：

[1] F. Sheng et al., Rashba valleys and quantum Hall states in few-layer black arsenic, Nature 593, 56-60 (2021).

[2] Z. Wang et al., Defects controlled hole doping and multivalley transport in SnSe single crystals, Nat. Commun. 9, 47 (2018).

[3] H. Z. Lu et al., Unlocking hidden spins in centrosymmetric SnSe₂ by vacancy-controlled spin-orbit scattering, PRB 107, 165419 (2023).

[4] Y. Peng et al., Magentic structure and metamagnetic transitions in the van der Waals antiferromagnet CrPS4, Adv. Mater. 32, 2001200 (2020).

[5] M. Cheng et al, Quantum tunnelling with spin Aharonov-Anadan phases in van der Waals antiferromagnets, In review (2023).

[6] X. K. Sun et al., Tunable quantum phases of Ising pairing states in atomically-thin natural van der Waals heterostructures, In review (2023).