现有的利用电子电荷特性的电子器件很可能会被下一代基于电子能谷和自旋性质的高效节能器件所代替，因此，寻找合适的新型材料体系是当前重要的研究方向之一。近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室单分子科学团队的研究人员在铋（Bi）超薄膜表面能谷和自旋电子态研究中取得重要进展，研究成果3月11日以“Surface Landau levels and spin states in bismuth (111) ultrathin films”为题发表在Nature Communications (DOI 10.1038/NCOMMS10814)。
具有蜂巢状六方晶格的二维材料，在动量空间中其导带和价带边附近的能带通常存在简并的极值，即能谷态（valleys）。Bi(111)表面结构是类蜂巢状六方晶格，因而其表面电子态具有涡旋状自旋态的多能谷的能带结构。该研究团队利用低温(4.2 K)强磁场(11 T)扫描隧道显微镜（STM），获得不同磁场下Bi(111)超薄薄膜表面的朗道量子化微分电导谱，并利用类比于传统磁振荡实验的分析方法，精确地测量了量子化朗道能级，辨析出源于表面电子型和空穴型能谷电子态。同时，还观察到对应于能带结构中一组具有很大g因子（~33）的范霍夫奇点表面态由于在强磁场中出现分裂，从而可以获得自旋极化的能谷电子态。该工作表明， Bi(111)超薄膜的这些性质使其有可能应用于构造自旋和能谷电子学器件。
图注：Bi(111)表面能谷和自旋态示意图
这项研究工作是由中国科大合肥微尺度物质科学国家实验室单分子科学团队的王兵研究小组完成的，博士生杜宏健和孙霞副教授为论文共同第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、中国科学院、科技部和教育部的资助。
（合肥微尺度物质科学国家实验室、量子信息与量子科技前沿协同创新中心、科研部）