中國科學家研制首個電控二維磁振子閥

北京大學物理學院、北京量子信息科學研究院研究員陳劍豪團隊與中國科學院院士謝心澄等人合作，實現(xiàn)了首個基于擴散型自旋波量子（磁振子）的電調(diào)控開關(guān)。相關(guān)研究成果于11月1日在線發(fā)表在《自然·通訊》上。

近年來發(fā)現(xiàn)的范德瓦爾斯磁體是一種低維自旋有序體系。這種體系由于在二維超薄極限下仍然可能具有磁序，且具有高度可調(diào)性和功能化特性而受到廣泛關(guān)注。其中，二維磁體的自旋波量子（磁振子）作為一種低功耗的信息載體，在未來量子增強的信息技術(shù)領(lǐng)域具有重要的應用潛力。

磁振子應用于信息領(lǐng)域所面臨的第一個門檻，是制備磁振子的“開”態(tài)和“關(guān)”態(tài)。由于磁振子的強波動性，注入和探測磁振子信號相對易于實現(xiàn)，但是通過柵電極在非特征頻率下完全關(guān)閉磁振子信號則是一個尚未解決的國際性難題。此前，人們通過磁場變化實現(xiàn)了磁振子信號的開關(guān)，然而磁場難以局域化的特點，使得這類磁控磁振子閥無法進行規(guī)模集成。因此，實現(xiàn)可完全開關(guān)、易于小型化和集成化的電控磁振子閥一直是科學家的追求目標。

陳劍豪團隊長期研究低維量子材料器件物理，與合作者在低維高遷移率材料、低維拓撲材料和低維磁性材料領(lǐng)域完成一系列重要的研究工作，如發(fā)現(xiàn)原位氫化石墨烯的可控自旋軌道耦合和鐵磁-反鐵磁耦合相變、拓撲半金屬的對稱性破缺和非線性光電效應等。

近期，陳劍豪團隊實驗發(fā)現(xiàn)，低維磁體的磁振子輸運過程具有高度可調(diào)性。隨后，陳劍豪團隊與謝心澄、復旦大學教授肖江等人合作，建立了二維磁振子模型，并量化分析了其輸運過程中的高度非線性；利用這種非線性，陳劍豪團隊制備了基于范德瓦爾斯反鐵磁絕緣體MnPS3（錳磷硫）的磁振子閥，實現(xiàn)了對其二次諧波磁振子信號的完全可逆電調(diào)控，并首次演示了擴散型磁振子邏輯非門。

在此項研究中，研究團隊還預言了CrI3（碘化鉻）、CrBr3（溴化鉻）、FePS3（鐵磷硫）、CrPS4（鉻磷硫）等一大類范德瓦爾斯鐵磁和反鐵磁材料，都將表現(xiàn)出與MnPS3類似的磁振子閥調(diào)控效果。該成果作為低維自旋電子學領(lǐng)域研究的一項突破，對材料科學、納米電子學和物理學領(lǐng)域都將產(chǎn)生重大影響。