褚君浩院士團隊在反鐵磁領域發現普適理論—新聞—科學網

2021-01-11 科學網

 

11月9日，記者從華東師範大學獲悉，該校信息科學技術學院褚君浩院士團隊在二維反鐵磁領域獲重要突破：在二維A-type反鐵磁中提出了實現100%自旋極化的普適理論，並設計出新型二維自旋場效應電晶體模型，被認為是反鐵磁應用的重要進展。該研究成果日前發表於《美國科學院院報》（PNAS）。國際權威審稿人對此發現無比激動，認為是「令人驚喜的成果。」

據悉，這項研究是由華東師範大學與加州大學伯克利分校張翔院士（現香港大學校長）合作完成的。

上世紀70年代，法國科學家Néel因其反鐵磁研究成果獲得諾貝爾獎，反鐵磁具有重要的理論研究價值，但宏觀磁矩為零使其磁結構很難測定，嚴重限制了其實際應用。

2017年，張翔院士首次在實驗中獲得二維鐵磁性材料Cr2Ge2Te6，由此激發了人們對二維磁性材料的研究興趣。但目前已發現的二維磁性材料有很大一部分為反鐵磁，這使得大量關於二維磁性材料的研究再次止步於應用。

為此，在測試雙層二維磁性材料Cr2Ge2Te6、VSe2等的電子結構時，該研究團隊發現，如雙層材料層間為反鐵磁交換作用時，施加垂直電場可以很方便的實現100%自旋極化的half-metallicity性質。進一步的分析表明，利用半導體性的雙層A-type反鐵磁（層內鐵磁，層間反鐵磁）得到half-metallicity性質是一個普適理論。

專家表示，該研究的重要意義在於，利用雙層A-type反鐵磁的half-metallicity性質可以實現新型的自旋場效應電晶體。（當垂直電場大於臨界電場時，即可獲得100%的上自旋極化流（藍色），翻轉外加電場方向可獲得100%下自旋極化流（紅色）。）1990年Datta提出的自旋場效應電晶體，其工作性能依賴通道中電子自旋進動的精準控制，該理論雖然備受關注但精準控制自旋進動狀態在實驗上困難重重。

論文第一作者龔士靜副研究員告訴《中國科學報》記者，「我們利用電場調控A-type反鐵磁的電子結構，實驗操作簡單方便，基本原理也完全不同於Datta-Das自旋場效應電晶體。通過與實驗合作者的多次討論，我們在論文中加入了很多關於實驗可行性的討論，對實現新型自旋場效應電晶體可能遇到的實際問題進行了詳細闡述，包括器件工作溫度、二維磁疇大小、電極影響、二維磁性材料厚度對器件性能影響等等，使研究工作不僅理論新穎而且對未來的實驗研究提供了充分的細節指導。」

「這個發現讓研究團隊無比驚喜。」褚君浩院士表示，「基礎研究的原創性發現非常重要，它的重要性通常不會像應用領域的技術突破很快被接受，因此，做基礎研究需要足夠的耐心和恆心，底子牢固了後勁才足；另外應創造條件加強合作，包括實驗和理論合作，國內與國際合作，在自己的研究領域做大做強，做出特色。」

相關論文信息：http://www.pnas.org/content/115/34/8511

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