陈剑豪课题组发现二维反铁磁绝缘体中巨大的电可调磁振子输运各向异性
北京大学物理学院量子材料科学中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室、北京量子信息科学研究院陈剑豪研究员课题组与谢心澄院士等合作，在二维反铁磁绝缘体中观测到巨大的电可调磁振子输运各向异性。2023年5月2日，相关研究成果以“范德瓦尔斯反铁磁绝缘体中的巨大电可调磁振子输运各向异性”（Giant electrically tunable magnon transport anisotropy in a van der Waals antiferromagnetic insulator）为题，在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。
各向异性是材料系统中对称性降低的表现，具有深远的基础和应用研究意义。 磁各向异性是磁性材料的重要性质，基于磁各向异性电阻（GMR）效应制成的磁存储器是现代信息技术的基础。近年来发现的范德瓦尔斯磁体是一种低维自旋有序体系。这种体系由于在二维超薄极限下仍然可能具有磁序，并具有高度可调性和功能化特性受到广泛关注。对于范德瓦尔斯磁体，二维性质极大地增强了磁各向异性的影响。二维磁体的自旋波量子（磁振子）作为一种低功耗的信息载体，在未来量子增强的信息技术领域具有重要的应用潜力；然而，面内磁相互作用各向异性对二维磁振子传输的影响当前鲜有研究。
陈剑豪课题组长期研究低维量子材料器件物理，与合作者在低维高迁移率材料、低维拓扑材料和低维磁性材料领域完成一系列重要的研究工作，如发现原位氢化石墨烯的可控自旋轨道耦合和铁磁-反铁磁耦合相变（Physical Review B 102, 045402 (2020)；Physical Review B 104, 125422 (2021)），发现拓扑半金属的对称性破缺和非线性光电效应（Advanced Materials 30, 1706402 (2018); Nature Materials 18, 476 (2019)），实现二维反铁磁体中电控的磁振子阀（Nature communications 12,6279 (2021)）等。其中，课题组于2021年实现了二维反铁磁绝缘体MnPS3中二次谐波磁振子信号的完全可逆电调控，首次演示了扩散型磁振子逻辑非门，实现了可完全开关、易于小型化和集成化的电控磁振子阀。磁振子逻辑是一种崭新的低功耗数字电路方案，未来有望成为基于电荷逻辑方案的良好补充。为实现更多和更复杂的磁振子逻辑，如能进一步利用二维磁振子输运中的各向异性，将带来崭新的自旋电子学应用。
近日，陈剑豪课题组与北京大学谢心澄院士、近藤龙一（Ryuichi Shindo）研究员、童廉明研究员，复旦大学肖江教授、吴施伟教授，北京师范大学刘翌研究员和中山大学于鹏副教授等合作，发现二维磁体中与磁交换各向异性相关联的磁振子输运各向异性，且该各向异性具有高度电可调性。
研究基于具有面内磁交换各向异性的二维反铁磁绝缘体CrPS4，实验发现其中沿磁交换强度不同的晶轴传播的热磁振子具有不同的强度和直流栅极电调制响应（图1）。由于沿弱磁交换强度晶轴的磁振子二次谐波信号弱且在较小栅极电流下即可调至0（“关”态），而沿强磁交换强度晶轴的磁振子二次谐波信号强且需较大栅极电流才可调至0，CrPS4中的热磁振子输运表现出巨大的电可调各向异性，其各向异性比值理论上可以从1（各向同性）调到无穷大。基于二维磁振子输运模型的量化理论分析表明，本征的面内磁各向异性导致的二维各向异性自旋塞贝克效应是电可调性的关键。最后利用如此大且可调的磁振子各向异性，构造了一种全新原理的只读存储器，演示了用ASCII码编码的“PKU”三个字母的读取（图2）。该研究首次观测到了巨大的电可调磁振子输运各向异性，并展示了各向异性二维磁振子在信息存储和处理方面的潜力。
图1 CrPS4磁振子输运的巨大电可调各向异性。
(a).反铁磁绝缘体CrPS4的面内的磁交换各向异性，其中y方向磁交换强度较大，x方向较小。(b). CrPS4的各向异性磁振子输运器件光学显微照片，其中注入端、栅极和探测端电极分别用黄色、红色和绿色标记。通过机械剥离的样品具有清晰可辨的边缘和特征角度，便于制备沿x和y方向传播的磁振子阀器件。(c). 沿不同方向传播的磁振子强度，交换强度较强方向的信号强度约是较弱方向的5倍。(d).不同方向磁振子输运的电调制曲线，交换强度较弱的方向零点更早出现。(e).电流调制的各向异性比值，从0到无穷大。插图显示了实验上实现的高达2500000%的电控各向异性。
图2 基于电可调各向异性的磁振子只读存储原型器件。
(a-f).施加一定的调制电流Igate，基于各向异性存储的信息可在60μA读取电流Iread激励下，由非局域的输出端依次读出。上图展示了三个8位存储器件，分别存储了“PKU”的ASCII码。
在线发表于《自然·通讯》的工作中,北京大学2017级已毕业博士研究生齐少勉和北京量子信息科学研究院助理研究员陈迪为共同第一作者，陈剑豪为通讯作者。上述研究工作得到了国家重点研发计划“量子调控与量子信息”重点专项、国家自然科学基金、北京市自然科学基金杰出青年科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等项目的支持。
论文原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38172-7