物性物理学：数層黒ヒ素におけるラシュバ・バレーと量子ホール状態
Nature 593, 7857 doi: 10.1038/s41586-021-03449-8
非中心対称性の二次元電子系では、スピン–軌道結合（SOC）がクーロン相互作用やバンドトポロジー、外部変調力と動的に影響し合うと、非常に興味深い現象が現れる。今回我々は、中心対称性の数層黒ヒ素におけるSOCとシュタルク効果の相乗効果について報告する。この相乗効果は、静電ゲーティングによって可逆的に制御される粒子–正孔非対称ラシュバ・バレー形成およびエキゾチック量子ホール状態として現れる。これらの特異的な知見は黒ヒ素のパッカリング正方格子に由来しており、この格子では、重い4p軌道がブリルアンゾーンの中心にpz対称性のΓバレーを形成していて、このバレーが、時間反転不変運動量であるX点の近傍にあるpx起源の二重縮退Dバレーと共存している。垂直電場によって構造反転対称性が破られると、pxバンドについて強いラシュバSOCが生じ、これによって、時間反転対称性によって対になったスピン–バレーのフレーバーのD±バレーが生成される。一方、Γバレーのラシュバ分裂は、pz対称性によって制約される。興味深いことに、この巨大シュタルク効果は、同じpx軌道選択性を示し、D±ラシュバ・バレーの価電子バンド極大を、Γラシュバ・トップを超えるまで集団的にシフトさせる。こうした協調効果によって、二次元正孔ガスについて、ゲート調整可能なラシュバ・バレー操作の実現が可能になり、これは、フレーバー依存性ランダウ準位スペクトルの形成に起因する、量子ホール状態における偶数から奇数への非従来型遷移によって立証された。二次元電子ガスについては、Γラシュバ・バレーの量子化は、自明なパラボリックポケットからヘリカルディラックフェルミオンへの、バンドトポロジーにおける特異な密度依存性遷移によって特徴付けられた。
