西安交大物理學院王喆教授團隊在二維磁性半導體研究方面取得重要進展

磁電阻效應，特別是在絕緣磁性體系中的研究，對自旋電子學及信息技術影響深遠。近期，西安交通大學團隊在二維反鐵磁半導體CrPS4中發(fā)現(xiàn)罕見的磁電阻振蕩，為磁性半導體系統(tǒng)中的量子輸運行為提供了新的理解視角。

磁電阻效應是一種廣受關注的物理現(xiàn)象，因其既展現(xiàn)了豐富的物理內涵，也在工業(yè)技術中具有廣泛的應用潛力。磁電阻振蕩通常體現(xiàn)了物質內部某種量子行為，典型代表包括Shubnikov–de Haas振蕩以及Aharonov-Bohm效應。然而磁電阻振蕩一般只在導電體系中存在，極少在絕緣體系中觀測到。過去幾十年間，絕緣磁性體系中的磁電阻效應一直是研究的熱點，其研究成果為自旋電子學奠定了基礎并對當前信息技術產生了深遠影響。然而在已研究的磁性隧道結和自旋濾波器件中，磁電阻總是隨系統(tǒng)磁化強度單調變化。近日，西安交通大學物理學院王喆教授團隊與其合作者在二維反鐵磁半導體CrPS4中發(fā)現(xiàn)了罕見的磁電阻振蕩現(xiàn)象并闡述了其可能的微觀機制。團隊制備了“石墨烯/CrPS4/石墨烯”垂直節(jié)并系統(tǒng)測量了其在不同溫度、磁場方向、電壓、樣品厚度下的磁電阻，發(fā)現(xiàn)了磁電阻振蕩效應并總結了其演化規(guī)律，證明了其與CrPS4中自旋傾斜態(tài)相關。進一步分析指出這一現(xiàn)象的微觀產生機制可能與自旋極化缺點態(tài)的躍遷有關，并提出自旋挑選的層間躍遷理論模型，在引入自旋貝里相位后可以較為完美的解釋實驗現(xiàn)象。這項工作為磁性半導體系統(tǒng)中量子輸運行為的理解提供了新的視角，表明二維磁性半導體不但具有自旋電子器件應用潛能，也為新奇物理現(xiàn)象研究提供了有趣平臺。
圖1. (左)10層CrPS4器件2 K下的磁電阻振蕩；(右上)垂直節(jié)示意圖；(右下)自旋挑選的層間躍遷模型示意圖。研究成果以“二維反鐵磁半導體CrPS4垂直節(jié)中的磁電阻振蕩”(Magnetoresistance Oscillations in Vertical Junctions of 2D Antiferromagnetic Semiconductor CrPS4)為題在《物理評論X》(Physical Review X)上發(fā)表，物理學院研究生史鵬媛與王嘯宇分別為第一與共同第一作者，物理學院王喆教授與潘杰副教授為通訊作者，物理學院張磊教授與楊森教授也做出了重要貢獻。本研究獲得了國家自然科學基金、陜西省基礎科學(數(shù)學、物理學)研究院以及中央高?；緲I(yè)務費的支持。王喆教授團隊長期從事低維量子材料與器件的研究，在二維磁性半導體方面已發(fā)表了包括《科學》(Science)、《自然-納米技術》(Nature Nanotechnology)、《物理評論X》(Physical Review X)在內的多篇論文。