Bi₂O₂Se量子霍尔薄膜

仅偶整数量子化

在高达50 T的磁场下仅呈现偶整数量子霍尔态、无奇整数态；单胞厚度时因全局Rashba效应同时出现奇偶态，为调控自旋纹理提供了新平台。

Wang, Jingyue · Huang, Junwei · Kaplan, Daniel · Zhou, Xuehan · Tan, Congwei · 章兢 · Jin, Gangjian · Xuzhong, Cong · Zhu, Yongchao · Gao, Xiaoyin · Yan, Liang · 左华坤 · 朱增伟 · Zhu, Ruixue · Stern, Ady · Liu Y.L. · 高鹏 · Yan, Binghai · 袁洪涛 · Peng H.

Nature Nanotechnology 2024

参数信息

磁感应强度高

50 T

技术优势

仅偶整数态

在高达50 T的磁场下，较厚的Bi₂O₂Se薄膜只呈现偶整数量子霍尔态，没有奇整数态。这表明该体系可以作为一种仅支持偶整数量子化的干净平台，研究者无需额外筛选就能获得偶整数态。

厚度可切换奇偶

把外延Bi₂O₂Se薄膜减薄到一个单胞时，就能同时观测到奇数和偶数整数量子霍尔态；而在较厚薄膜中只有偶整数态。因此，仅通过改变厚度就能在两种量子霍尔态配置之间切换，无需改变材料体系或测量条件。

隐藏Rashba机理

通过基于第一性原理能带的Rashba双层模型，作者将较厚薄膜中仅出现偶整数态归因于隐藏Rashba效应：两个子层中相反的Rashba自旋极化相互抵消，导致自旋简并未被完全解除。这一机理为设计新的自旋纹理提供了理论依据。

应用场景

• 量子霍尔器件：利用仅偶整数态实现量子霍尔器件，无需额外筛选。
• 自旋电子学研究：通过厚度调控Rashba效应，操控自旋纹理。
• 拓扑材料研究：研究Rashba效应与量子霍尔态的相互作用。
• 量子输运研究：提供奇偶可切换的量子输运平台。
• 高磁场测量：在50 T下观测量子霍尔态，检验隐藏Rashba模型。