物理學最新成果：可以通過電學手段，控制磁性半導體中的磁性

2020-08-06 博科園

物理學家現在已經證明可以通過電學手段控制磁性半導體中的磁性，為新型自旋電子器件鋪平了道路。半導體是信息處理技術的核心，以電晶體的形式，半導體充當電荷的開關，允許在二進位狀態0和1之間切換。另一方面，磁性材料是信息存儲設備的重要部件。研究利用電子的自旋自由度來實現記憶功能。磁性半導體是一類獨特的材料，可以同時控制電荷和自旋，有可能在單一平臺上實現信息處理和存儲操作。

物理學最新成果：可以通過電學手段，控制磁性半導體中的磁性

關鍵的挑戰是利用電場控制電子自旋或磁化，就像電晶體控制電荷一樣。然而，磁性半導體中的磁場通常對電場依賴性很弱，而且其影響通常僅限於低溫溫度。由新加坡國立大學物理系和化學系Goki EDA教授領導的一個研究小組，以及英國國立大學先進二維材料中心與倫敦大學學院倫敦納米技術中心的Hidekazu KUREBAYASHI教授合作，發現磁性半導體Cr2Ge2Te6的磁性對外加電場的響應異常強烈。

物理學最新成果：可以通過電學手段，控制磁性半導體中的磁性

在外加電場的情況下，發現該材料在200K(-73°C)的溫度下表現出鐵磁性(電子自旋自發排列的狀態)。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塗上一層含有溶解離子的聚合物凝膠，對其施加了很強的電場。當電壓施加到聚合物凝膠上時，在材料表面形成一層離子，在材料中誘導出強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(即當施加的電壓為零時)，鐵磁性僅在61K(-212°C)以下發生。

物理學最新成果：可以通過電學手段，控制磁性半導體中的磁性

這個臨界溫度稱為居裡溫度，低於這個臨界溫度就會出現鐵磁有序。在這個溫度以上，自旋方向是隨機的(順磁狀態)，使得磁記憶操作不可能進行。當向聚合物凝膠施加幾伏特的電勢時，研究人員發現居裡溫度上升了100°C以上，這種由電場觸發的居裡溫度大幅上升在磁性半導體中是不尋常的。研究人員得出結論：離子誘導的移動電子是在較高溫度下觀察到磁序的原因。

物理學最新成果：可以通過電學手段，控制磁性半導體中的磁性

主要作者、該團隊的研究員伊萬·維爾茲HBITSKIY博士說：材料中存在的可移動電子有助於將自旋信息從一個原子位攜帶到另一個原子位，並建立磁性秩序，從而導致更高的居裡溫度。這些器件的工作溫度仍然遠低於室溫，這使得它們在現有技術中的實現是不現實的。然而，研究團隊的目標是在未來的研究中克服這一限制。觀察到的這種獨特現象不僅限於這種特殊化合物，而且可以預期在其他相關材料系統中也是如此。

物理學最新成果：可以通過電學手段，控制磁性半導體中的磁性

只要仔細選擇材料，就有可能開發出在室溫下運行的設備，這可能會帶來突破性的新技術。

博科園｜研究/來自：新加坡國立大學

參考期刊《自然·電子學》

DOI: 10.1038/s41928-020-0427-7

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