物理學(xué)最新成果：可以通過電學(xué)手段，控制磁性半導(dǎo)體中的磁性！

物理學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)證明可以通過電學(xué)手段控制磁性半導(dǎo)體中的磁性，為新型自旋電子器件鋪平了道路。半導(dǎo)體是信息處理技術(shù)的核心，以晶體管的形式，半導(dǎo)體充當(dāng)電荷的開關(guān)，允許在二進(jìn)制狀態(tài)0和1之間切換。另一方面，磁性材料是信息存儲設(shè)備的重要部件。研究利用電子的自旋自由度來實(shí)現(xiàn)記憶功能。磁性半導(dǎo)體是一類獨(dú)特的材料，可以同時(shí)控制電荷和自旋，有可能在單一平臺上實(shí)現(xiàn)信息處理和存儲操作。

關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是利用電場控制電子自旋或磁化，就像晶體管控制電荷一樣。然而，磁性半導(dǎo)體中的磁場通常對電場依賴性很弱，而且其影響通常僅限于低溫溫度。由新加坡國立大學(xué)物理系和化學(xué)系Goki EDA教授領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組，以及英國國立大學(xué)先進(jìn)二維材料中心與倫敦大學(xué)學(xué)院倫敦納米技術(shù)中心的Hidekazu KUREBAYASHI教授合作，發(fā)現(xiàn)磁性半導(dǎo)體Cr2Ge2Te6的磁性對外加電場的響應(yīng)異常強(qiáng)烈。

在外加電場的情況下，發(fā)現(xiàn)該材料在200K(-73°C)的溫度下表現(xiàn)出鐵磁性(電子自旋自發(fā)排列的狀態(tài))。在這樣的溫度下，這種材料通常不存在鐵磁性。研究人員通過在這種材料上涂上一層含有溶解離子的聚合物凝膠，對其施加了很強(qiáng)的電場。當(dāng)電壓施加到聚合物凝膠上時(shí)，在材料表面形成一層離子，在材料中誘導(dǎo)出強(qiáng)大的電場和高密度的可移動電子。在沒有這些可移動電子的情況下(即當(dāng)施加的電壓為零時(shí))，鐵磁性僅在61K(-212°C)以下發(fā)生。

這個臨界溫度稱為居里溫度，低于這個臨界溫度就會出現(xiàn)鐵磁有序。在這個溫度以上，自旋方向是隨機(jī)的(順磁狀態(tài))，使得磁記憶操作不可能進(jìn)行。當(dāng)向聚合物凝膠施加幾伏特的電勢時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)居里溫度上升了100°C以上，這種由電場觸發(fā)的居里溫度大幅上升在磁性半導(dǎo)體中是不尋常的。研究人員得出結(jié)論：離子誘導(dǎo)的移動電子是在較高溫度下觀察到磁序的原因。

主要作者、該團(tuán)隊(duì)的研究員伊萬·維爾茲HBITSKIY博士說：材料中存在的可移動電子有助于將自旋信息從一個原子位攜帶到另一個原子位，并建立磁性秩序，從而導(dǎo)致更高的居里溫度。這些器件的工作溫度仍然遠(yuǎn)低于室溫，這使得它們在現(xiàn)有技術(shù)中的實(shí)現(xiàn)是不現(xiàn)實(shí)的。然而，研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是在未來的研究中克服這一限制。觀察到的這種獨(dú)特現(xiàn)象不僅限于這種特殊化合物，而且可以預(yù)期在其他相關(guān)材料系統(tǒng)中也是如此。

只要仔細(xì)選擇材料，就有可能開發(fā)出在室溫下運(yùn)行的設(shè)備，這可能會帶來突破性的新技術(shù)。

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博科園｜研究/來自：新加坡國立大學(xué)

參考期刊《自然·電子學(xué)》

DOI: 10.1038/s41928-020-0427-7

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