这个异质结，登上Nature Materials！

自旋-轨道相互作用SOI（spin-orbit interaction）主要存在于重元素构建的化合物，由于其能够实现自旋的调控和转变，因此受到广泛关注。有鉴于此，京都大学Masashi Shiraishi等报道了Si金属-氧化物-半导体异质结，表现了Rashba型自旋-轨道相互作用（SOI）。

Si作为一种质量较轻的元素，同时体相结构本征的晶格反转对称性结构理论上不应该存在SOI效应，但是作者发现通过在Si MOS上施加较强的栅极电场，Si中由于SOI效应形成有效磁场，导致形成各向异性自旋。进一步的，发现Rashba参数α随着电场增加产生线性增加，当栅极电场达到0.5 V nm-1，α的数值增加至9.8×10-16 eV。因此通过栅极电压调控能够实现0.6 μeV的自旋分裂。

背景

自旋-轨道相互作用囊括了凝聚态物理中的多种重要问题，在多种物理现象中扮演着关键作用，比如非磁场条件中控制自旋、霍尔效应/反常霍尔效应导致的自旋翻转、自旋-电流效应/反自旋-电流效应、界面或体相中的巨自旋裂分、伊辛-库珀对超导等。

通过破坏体相反式对称性/结构对称性翻转是实现SOI效应最重要的方法，因此具有较高反对称性结构/由轻原子组成的材料通常认为无法实现SOI效应。不过单层石墨烯/过渡金属硫化物vdW异质结构、双层石墨烯、p-Ge(III)的亚界面是少数可行的例子，但是其中SOI效应强度难以调控，并且在特定条件中才能产生SOI效应。如果能够在由轻原子构成的反对称结构材料中实现SOI效应，将显著拓展SOI效应的元素和应用前景，而且有望进一步在价格上更加合理。

Si材料就是一种无法表现SOI效应的元素，这是因为其原子质量较轻，体相为反对称性，目前人们主要利用Si材料的自旋相干效应。但是，目前人们认识到当引入较强的栅极电压后，材料中一些被忽略的性质可能表现得更加明显。

这意味着，当在Si材料上施加较高的栅极电场，Si的物理性质可能产生显著变化，作者通过构建薄层Si金属氧化物半导体自旋通道与栅极绝缘结构，构建并研究Rashba自旋-轨道体系。

实验设计

图1.各向异性自旋Si器件结构、磁电阻磁滞效应

在Si MOS通道中有效磁场形成Rashba场，能够通过产生的有效磁场导致沿着磁场的方向产生额外的自旋进动（spin precession）或自旋锁（spin-locking）。这种Rashba SOI现象能够通过各向异性自旋寿命随着栅极电压增幅、随着外磁场（Bex）角度变化而变化。

在未向Si自旋通道施加栅极电场时，外部磁场是唯一能够引发自旋进动的因素；在施加栅极电场后，在垂直于自旋进动的k向量方向上产生有效磁场。磁场的强度满足方程式：

γћBeff = 2α(k×z)

其中，γ代表磁旋比，ћ为Dirac常数，Beff为引发的有效磁场，z代表沿着栅极电场方向的矢向量。通过该方程式，当Beff向自旋进动提供额外的作用，沿着自旋通道、垂直自旋通道方向的自旋寿命将产生各向异性。因此作者测试了平行方向、垂直方向的各向异性自旋寿命的区别。

器件搭建

在厚度为200 nm的SiO2栅极绝缘体上搭建100 nm的n型Si通道，随后在300 K温度中，不同栅极电压条件下，通过引线测试四引线磁电阻、各项异性自旋寿命。

电压调控各向异性自旋

将作用于器件上的栅极电压在0~100 V之间变化，发现明显的磁滞变化现象，说明磁各向异性效应；随后，对器件施加面内外加电场，其方向βex进行10°~90°变化，考察自旋寿命各向异性变化规律。

图2.电压调控自旋各向异性

分别在不同βex（10°，30°，45°，60°，90°）测试自旋进动随着不同面内电压（0 V，10 V，60 V，100 V）变化的规律，测试结果很好符合一定规律。

当Bex>40 mT时，自旋电压VNL4T由沿着磁场方向的非进动型自旋分量所决定，这种自旋电压规律符合方程：

图3.电压调控自旋各向异性方程

该方程中，ζ代表Si中的自旋各向异性参数比（ζ=τ⊥/τ∥），实验中观测发现Vg与ζ之间的关系说明在Si MOS中产生自旋-轨道场，而且出现的有效磁场导致自旋寿命各向异性变化通过Vg进行调控。与传统经验所认为的Si基本上不存在SOI效应不同，实验结果发现Si MOS中不仅存在SOI效应，而且能够栅极电压进行调控。在器件中，作者在垂直于Si的方向施加栅极电压，从而在面内产生有效磁场，这种面内有效磁场提高了自旋传播过程中的自旋弛豫，因此提高了自旋寿命的各向异性。

当电压为10 V，自旋寿命表现为各向同性，说明在Si自旋通道内产生了内建电场，而且自旋方向与外加电场方向恰好相反。当电压分别为0 V、10 V、60 V、100 V，自旋各向异性参数比ζ分别为0.91±0.02、0.99±0.02、0.8±0.01、0.75±0.02。

来源：纳米人