通过静电门控调控少层黑砷中的巨 Rashba 谷分裂与量子霍尔态

当自旋轨道耦合(SOC)与库仑相互作用、能带拓扑和外加调制力等动态交织时，非中心对称二维(2D)电子系统中可能出现令人振奋的现象。此处，我们报道在中心对称少层黑砷(BAs)中 SOC 与 Stark 效应之间的显著协同效应，表现为由静电门控可逆调控的巨 Rashba 谷分裂与奇异量子霍尔态(QHS)。这一不寻常发现根植于 BAs 的褶皱方形晶格，其中重 $4p$ 轨道形成高度不对称的 $\Gamma$ 谷（具 $p_{z}$ 对称性）与源于 $p_{x}$ 的 $D$ 谷，分别位于布里渊区(BZ)中心与 $X$ 的时间反演不变动量附近。当垂直电场打破结构反演对称性时，巨 Rashba SOC 被激活于 $p_{x}$ 能带，产生由时间反演对称性关联的强自旋极化 $D^{+}$ 与 $D^{-}$ 谷，并与受 $p_{z}$ 对称性约束的弱 $\Gamma$ Rashba 能带共存。有趣的是，强 Stark 效应对 $D$ 呈现相同的 $p_{x}$ 轨道选择性，共同将 $D^{\pm}$ 谷的价带顶推高至超过 $\Gamma$ 袋。这种 SOC 与 Stark 的协同效应使我们得以实现二维空穴气的门可调自旋谷操控，这由 QHS 中非常规磁场触发的偶到奇转变所揭示。对于电子掺杂，$\Gamma$ Rashba 能带的量子化以载流子浓度增加时能带拓扑从两个抛物谷到独特内外螺旋结构的特殊密度依赖转变为特征。