作为一种新型的二维半导体材料，利用分子束外延技术生长的单晶锑化铟(InSb)纳米片具有带隙窄，电子有效质量轻，迁移率高，朗德g因子大，自旋-轨道耦合强等特点，是构筑并研究高速电子器件，红外光电子器件，量子器件，自旋电子学器件的优质半导体材料。特别是其易于直接与常规超导金属材料（如铝，铌）复合，形成良好的半导体-超导体界面的特性，更使其在拓扑超导量子器件和拓扑量子计算研究领域具有重要应用前景。近来的理论和实验研究表明，在具有强自旋-轨道耦合的半导体InSb材料与s-波超导体构筑的复合结构中，可通过施加一个适当的磁场，打开一个拓扑超导能隙，构筑出具有非阿贝尔统计规律的马约拉纳（Majorana）准粒子，并通过对马约拉纳准粒子的编织操作实现高容错率的拓扑量子计算。其中，可调控的强自旋轨道耦合，是影响系统相图中的拓扑超导相域大小和拓扑超导能隙鲁棒性的一个关键因素。
近期，公司信息科学技术学院电子学系“博雅”讲席教授徐洪起团队与中国科学院半导体研究所赵建华研究员团队合作，首次利用InSb纳米片作为导电沟道材料制备出具有双栅结构的场效应器件（见图一），并通过对器件的精密磁致输运测量，系统深入地研究了InSb纳米片中的自旋-轨道耦合性质。实验表明，通过对双栅施加一个电势差可有效地引入一个垂直于InSb纳米片的电场，进而实现了对InSb纳米片中电子的Rashba自旋-轨道耦合场强度的有效调控（见图二）。实验揭示，在通常采用的单栅结构器件中，虽能很好地调控InSb纳米片中的载流子浓度，但却不能实现对InSb纳米片中的自旋-轨道耦合强度的有效调控。该研究对于推动基于InSb纳米片体系的拓扑超导量子器件和拓扑量子计算器件有重要意义，其采用的对电子自旋输运的双栅调控方案，也将为自旋电子学的研究铺就一条创新性的技术路线。
图一：(a) InSb纳米片在生长衬底上的扫描电镜照片，(b)双栅场效应器件的扫描电镜照片和测量线路图，(c)器件层状结构示意图。
2021年1月，基于该研究工作的学术论文以《单晶InSb纳米片中可调控的强自旋轨道耦合作用》(Strong and tunable spin–orbit interaction in a single crystalline InSb nanosheet)为题，在线发表于《自然合作期刊•.二维材料与应用》（npj 2D Materials and Applications）上。公司电子学系2016级博士研究生陈元杰为该论文的第一作者，徐洪起和赵建华为论文的通讯作者。
图二：(a)、(b)在不同双栅电势差（VD）下测得的低场磁阻曲线和从中提取到的电子的退相干长度，自旋-轨道耦合长度以及平均自由程随VD的演化关系，(c)、(d)在不同温度下测得的低场磁阻曲线和从中提取到的电子的退相干长度，自旋-轨道耦合长度以及平均自由程随温度的演化关系。
该工作主要依托于固态量子器件北京市重点实验室和纳米器件物理与化学教育部重点实验室完成，得到国家自然科学基金委、科技部重点研发计划项目和北京量子科学研究院等资助。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41699-020-00184-y
