中國(guó)科學(xué)家研制首個(gè)電控二維磁振子閥

北京大學(xué)物理學(xué)院、北京量子信息科學(xué)研究院研究員陳劍豪團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院院士謝心澄等人合作，實(shí)現(xiàn)了首個(gè)基于擴(kuò)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(lái)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(lái)量子增強(qiáng)的信息技術(shù)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力。

磁振子應(yīng)用于信息領(lǐng)域所面臨的第一個(gè)門檻，是制備磁振子的“開”態(tài)和“關(guān)”態(tài)。由于磁振子的強(qiáng)波動(dòng)性，注入和探測(cè)磁振子信號(hào)相對(duì)易于實(shí)現(xiàn)，但是通過(guò)柵電極在非特征頻率下完全關(guān)閉磁振子信號(hào)則是一個(gè)尚未解決的國(guó)際性難題。此前，人們通過(guò)磁場(chǎng)變化實(shí)現(xiàn)了磁振子信號(hào)的開關(guān)，然而磁場(chǎng)難以局域化的特點(diǎn)，使得這類磁控磁振子閥無(wú)法進(jìn)行規(guī)模集成。因此，實(shí)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(xué)家的追求目標(biāo)。

陳劍豪團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)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?fù)洳牧虾偷途S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?fù)浒虢饘俚膶?duì)稱性破缺和非線性光電效應(yīng)等。

近期，陳劍豪團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低維磁體的磁振子輸運(yùn)過(guò)程具有高度可調(diào)性。隨后，陳劍豪團(tuán)隊(duì)與謝心澄、復(fù)旦大學(xué)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(yùn)過(guò)程中的高度非線性；利用這種非線性，陳劍豪團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)其二次諧波磁振子信號(hào)的完全可逆電調(diào)控，并首次演示了擴(kuò)散型磁振子邏輯非門。

在此項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)還預(yù)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(xué)領(lǐng)域研究的一項(xiàng)突破，對(duì)材料科學(xué)、納米電子學(xué)和物理學(xué)領(lǐng)域都將產(chǎn)生重大影響。