研究發(fā)現(xiàn)新型稀磁半導(dǎo)體

近期，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室(籌)極端條件實(shí)驗(yàn)室靳常青研究組在基于自旋和電荷分別注入機(jī)制的稀磁半導(dǎo)體研究中取得重要進(jìn)展。他們發(fā)現(xiàn)一類新的具有“122”鐵基超導(dǎo)體同結(jié)構(gòu)的稀磁體(Ba,K)(Zn,Mn)2As2，得到居里轉(zhuǎn)變溫度(Tc)高達(dá)180K以上的稀磁半導(dǎo)體。

在半導(dǎo)體中引入自旋，在信息存儲(chǔ)中同時(shí)利用電子的電荷和自旋雙重屬性，將有望為解決Moore定律帶來的瓶頸效應(yīng)提供重要解決方案。在半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn) 磁有序需要具備兩個(gè)基本物理?xiàng)l件，既要有局域磁矩，又要有引發(fā)局域磁矩長程量子序的低濃度載流子。在幾類已知的稀磁半導(dǎo)體中，磁矩和載流子均由同一種摻雜 元素提供，不能分別注入和調(diào)控。以最典型的基于III~V族的(Ga,Mn)As稀磁半導(dǎo)體為例，Mn2+對Ga3+的替代引入自旋的同時(shí)也提供了P型載流子，這種自旋和電荷的捆綁效應(yīng)嚴(yán)重制約了對材料電、磁性質(zhì)的調(diào)控。

為解決自旋電荷分別注入這個(gè)關(guān)鍵問題，該研究組在2011年首先發(fā)現(xiàn)了基于I-II-V族半導(dǎo)體的新型稀磁體Li(Zn,Mn)As【Nature Communications 2:422 (2011)】，其具有和GaAs同樣的晶體結(jié)構(gòu)。與GaAs不同，對Li(Zn,Mn)As在Zn2+位注入Mn2+只引入自旋，載流子濃度則通過改變Li的含量來進(jìn)行調(diào)控。這樣，在LiZnAs半導(dǎo)體中就可以實(shí)現(xiàn)自旋和電荷的分別注入，但其50K的Tc明顯低于(Ga,Mn)As體系的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度。

最近，靳常青研究員指導(dǎo)的博士研究生趙侃等人發(fā)現(xiàn)了新型稀磁體(Ba,K)(Zn,Mn)2As2，將鐵磁轉(zhuǎn)變居里溫度大幅提升到180K以上。通過在Ba2+位替代K+控制載流子濃度，在Zn2+位摻雜Mn2+引入自旋，實(shí)現(xiàn)載流子和自旋的分別注入和調(diào)控。他們通過大量系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)工作發(fā)現(xiàn)，(Ba,K)(Zn,Mn)2As2在30% K和10% Mn摻雜量時(shí)每個(gè)Mn離子具有接近1.3個(gè)Bohr磁子的飽和磁矩，鐵磁居里溫度(Tc)可達(dá)180K以上。

他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，(Ba,K)(Zn,Mn)2As2在在轉(zhuǎn)變溫度以下相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)具有低的矯頑力(≤100Oe)，為將來在低場條件下調(diào)控自旋和電荷的潛在應(yīng)用提供了可能。本工作的合作者美國哥倫比亞大學(xué)物理系的Uemura教授，運(yùn)用μSR技術(shù)研究了(Ba,K)(Zn,Mn)2As2的磁性，證實(shí)鐵磁性起源于塊體樣品的本征屬性。更為有趣的是，(Ba,K)(Zn,Mn)2As2和“122”鐵基超導(dǎo)體同構(gòu)，(Ba,K)(Zn,Mn)2As2稀磁體、(Ba,K)Fe2As2超導(dǎo)體、BaMn2As2反鐵磁半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)均相同，而且它們具有匹配的晶格參數(shù)(晶格參數(shù)失配度~5%)。這為設(shè)計(jì)基于磁性、半導(dǎo)體和超導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)，探索新的物理效應(yīng)和新的應(yīng)用提供了重要基礎(chǔ)。

靳常青研究組在2008年6月發(fā)現(xiàn)和命名了以LiFeAs為代表的 “111”型鐵基超導(dǎo)體【Solid State Communications 148, 538 (2008)】，接著相繼發(fā)現(xiàn)了“111”體系新組元LiFeP超導(dǎo)體【Eur. Phys. Lett. 87, 37004(2009)】，在高壓NaFeAs超導(dǎo)體中得到了31K的“111”型最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度【Eur. Phys. Lett. 88, 47008(2009)】。同時(shí)，對“122”型鐵基超導(dǎo)體(Ca,Na)Fe2As2，該研究組的趙侃實(shí)現(xiàn)了大于33K的該化合物最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度【J. Phys.: Condens. Matter 22, 222203 (2010)】。本次發(fā)現(xiàn)的122型稀磁體，是他們以上研究工作的深化和擴(kuò)展。

以上工作發(fā)表在近期《自然—通訊》(Nature Communications)上(Nature Communications DOI 10.1038/ncomms2447)，研究工作得到國家自然科學(xué)基金委重大國際合作項(xiàng)目、重大研究計(jì)劃項(xiàng)目、科技部量子調(diào)控項(xiàng)目的資助。