二维及拓扑自旋物理
自旋电子学主要研究固体中电子自旋的相关物理, 目标是利用电子自旋来进行信息的探测、存储、处理和传输. 自旋电子学研究不仅推动了凝聚态物理领域基础和前沿研究的快速发展, 而且持续开发出的自旋电子器件也促使信息技术领域发生了深刻的变革. 由于电子具有非平庸几何位相,一些特殊材料会产生新奇拓扑物性, 有望用于实现新型拓扑量子器件. 巨磁电阻效应以及拓扑相变和拓扑态的发现分别于 2007年和 2016年被授予了诺贝尔物理学奖. 近年来, 拓扑磁性材料和拓扑磁结构, 以及具有原子层厚度长程磁有序的二维磁性材料的发现, 极大地丰富了磁学和自旋电子学物理的研究内容, 也为研制新原理自旋信息器件提供了新的研究平台, 相关领域的研究受到了国际上的广泛关注. 我国学者在新兴的二维及拓扑自旋物理方面做出了很多有特色的研究工作, 与其他发达国家基本处于同一水平.
当前二维磁性材料和拓扑自旋物态方面的研究还存在很多挑战, 包括: 高性能二维磁性材料和异质结构的构筑、新型拓扑自旋物态及其调控、磁与拓扑、磁与声子耦合物理等. 为进一步促进该研究领域的发展, 特组织出版“二维及拓扑自旋物理”专题, 邀请部分活跃在本领域研究前沿的专家,撰写研究论文、综述文章与观点展望等文章, 介绍和关注二维及拓扑自旋物理各个方面的研究进展.希望本专题能够为国内二维及拓扑自旋物理、及相关研究领域的学术交流做出贡献.
2023, 72 (24): 247501.
doi: 10.7498/aps.72.20231229
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二维磁性材料是近年来发展起来的新兴材料, 在单层或者少层的原子厚度中以其独特的磁性特性和结构特征而备受关注. 其中铁磁性材料在信息存储和处理等方面有着广泛的应用, 所以当前研究主要集中在丰富二维铁磁数据库以及开发磁调制的修饰策略上. 本文通过常压化学气相沉积法在云母片衬底上成功生长出了二维钒掺杂Cr2S3纳米片, 获得了钒源温度765 ℃和质量0.010 g为纳米片生长情况最适中条件, 并通过光学显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱仪、扫描电子显微镜、X射线能谱、X射线光电子能谱对纳米片进行表征. 同时掺杂样品的磁性表征表明钒掺杂后样品居里转变温度变为105 K, 由亚铁磁性变为铁磁性, 矫顽力也显著增大, 证明钒掺杂可以有效地调控Cr2S3纳米片的磁性. 这些研究结果将有望推动钒掺杂Cr2S3材料向着实际应用的的可能性, 成为下一代自旋电子应用的理想候选材料之一.
2023, 72 (24): 247503.
doi: 10.7498/aps.72.20231163
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具有本征磁性的二维半导体材料在实现低功耗、小尺寸和高效率的自旋电子学器件方面具有重要应用前景. 一些拥有特殊晶格结构的二维材料, 如笼目晶格结构, 凭借其在磁性和电学方面的新颖性质而受到研究者的青睐. 最近, 一种新的具有笼目晶格结构的二维磁性半导体材料Nb3Cl8单层被成功制备出来, 为探索具有笼目结构的二维磁性半导体器件提供了新机会. 本文通过第一性原理方法研究了Nb3Cl8单层的电子结构、磁各向异性, 构造了其p-n结二极管结构, 并研究了其自旋输运性质. 结果表明, Nb3Cl8单层易磁化轴在平面内, 沿x轴方向, Nb原子对磁各向异性起主要贡献, 且相关磁性可通过应力应变进行调控. 此外, 基于Nb3Cl8单层的p-n结二极管纳米器件表现出整流效应、自旋过滤效应以及负微分电阻现象. 这些结果表明了Nb3Cl8单层在下一代高性能自旋电子器件方面具有较大的应用潜力.
2024, 73 (1): 017103.
doi: 10.7498/aps.73.20231711
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磁学与拓扑物理是两大较为成熟的学科, 二者的结合是新一代磁电子学的需求和基础. 磁性拓扑材料是磁序与拓扑物理耦合的重要产物, 为新兴的拓扑物理提供了材料载体和调控自由度. 磁性外尔半金属实现了时间反演对称破缺下的外尔费米子拓扑物态, 通过拓扑增强的贝利曲率产生了一系列新奇的磁/电/热/光效应; 而外尔电子与磁序的相互作用也使得拓扑电子物理有望成为磁电子学应用的新原理和驱动力. 当前, 新物态与新效应的发现是磁性拓扑材料第一阶段的主要任务和特征, 而动量空间拓扑电子与实空间磁序的相互作用已经开始进入人们的视野. 这两个阶段的深入发展, 将为拓扑磁电子学积累必要的物理基础和应用尝试. 本文着眼于磁性拓扑材料发展的两个阶段, 讲述磁性拓扑材料的提出和实现、均一磁序下的拓扑电子态及新奇物性、局域磁态与拓扑电子的相互作用3个方面, 阐述当前领域内的热点内容和发展趋势, 并对拓扑磁电子学的未来发展进行了思考和展望, 以助力未来拓扑自旋量子器件的快速发展.
2024, 73 (1): 017501.
doi: 10.7498/aps.73.20231589
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霍尔效应是凝聚态领域中古老却又极具潜力的研究领域, 其起源可以追溯到数百年前. 1879 年, 霍尔发现将载流导体置于磁场中时, 磁场带来的洛伦兹力将使得电子在导体的一侧积累, 这一新奇的物理现象被命名为霍尔效应. 之后, 一系列新的霍尔效应被发现, 包括反常霍尔效应、量子霍尔效应、自旋霍尔效应、拓扑霍尔效应和平面霍尔效应等. 值得注意的是, 霍尔效应能够实现不同方向的粒子流之间的相互转化, 因此在信息传输过程中扮演着重要的角色. 在玻色子体系(如磁子)中, 相应的一系列磁子霍尔效应也被发现, 他们共同推动了以磁子为基础的自旋电子学的发展. 本文回顾了近年来在磁子体系中的霍尔效应, 简述其现代半经典的处理方法, 包括虚拟电磁场理论和散射理论等. 并进一步介绍了磁子霍尔效应的物理起源, 概述了不同类型磁子的霍尔效应. 最后, 对磁子霍尔效应的发展趋势进行了展望.
2024, 73 (1): 017502.
doi: 10.7498/aps.73.20231244
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信息技术的高速发展对信息处理与存储器件的性能提出了更高的要求. 同时, 随着器件尺寸不断减小, 传统基于电子电荷属性的半导体器件面临热耗散和量子尺寸效应的难题与挑战, 半导体技术也由此进入后摩尔时代. 区别于传统基于电荷的电子器件, 基于自旋属性的非易失性自旋电子器件不但具有较高的集成度、读写速度及读写次数, 而且可有效避免热耗散, 为信息存储、处理和通信等领域的发展构建了新的技术平台. 近年来, 二维材料凭借其独特的能带结构和丰富的物理性质而备受关注, 特别是二维磁性材料体系在自旋电子学领域展现出极大的研究潜力和应用价值. 本文首先介绍了二维材料常见制备方法, 聚焦概述了二维磁性材料在自旋轨道电子学领域中的研究进展, 最后对本领域研究进行了展望.
2024, 73 (1): 017504.
doi: 10.7498/aps.73.20231612
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拓扑磁性斯格明子作为信息载体单元具备高可靠性、高集成度、低能耗等优势, 有望提高数据读写精度、降低功耗, 从而研发新型拓扑自旋电子学材料与原理型器件, 为信息技术、5G通信和大数据等的高速发展提供材料与技术支持. 但磁性斯格明子同时存在需要磁场稳定以及电流驱动下斯格明子霍尔效应引起偏转等缺点, 严重阻碍了其在实际器件中的应用, 因此探索新型拓扑磁畴结构和适宜应用的材料体系成为研究的关键. 本文将重点介绍自2013年理论预言磁畴壁斯格明子以来, 利用高分辨率洛伦兹透射电子显微镜原位实空间发现并研究磁畴壁拓扑麦纫和磁畴壁斯格明子的实验工作. 首次在范德瓦耳斯 Fe5–xGeTe2 二维磁性材料中发现温度诱发的180°磁畴壁转变为拓扑麦韧链, 研究了磁畴壁麦纫态在外界电场、磁场作用下的集体运动行为, 揭示了基于自旋重取向、磁畴壁限域效应以及弱相互作用下生成磁畴壁拓扑态的机制. 在该机制指导下, 设计制备了具有自旋重取向的GdFeCo非晶亚铁磁薄膜, 不仅获得了磁畴壁麦纫, 验证了生成机制的普适性, 还成功实现了畴壁麦韧对到畴壁斯格明子的可逆拓扑转变, 开辟了基于磁畴壁等内禀限域效应开展拓扑磁性物态探索和研究的新方向.
2024, 73 (1): 017505.
doi: 10.7498/aps.73.20231166
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拓扑材料和二维材料等新型量子材料, 为自旋电子器件的研究与发展提供了新契机. 这些量子材料不但有助于提高电荷-自旋转换效率及提供高质量异质结界面, 从而改善器件表现, 更由于它们丰富的相互作用和耦合关系, 能提供新奇物理现象和新的物性调控机制, 在自旋电子器件方面具有潜在的应用价值. 拓扑材料和二维材料, 尤其是层状拓扑材料、二维磁性材料以及它们组成的异质结的相关研究, 取得了丰硕的成果, 兼顾了启发性与及时的实用性. 本文将综述这些新型量子材料的近期研究成果: 首先重点介绍拓扑材料在自旋轨道力矩器件中实现的突破; 其次着重总结二维磁性材料的特性及其在自旋电子器件中的应用; 最后将进一步讨论由拓扑材料/二维磁性材料组成的全范德瓦耳斯异质结的研究进展.
2024, 73 (1): 018501.
doi: 10.7498/aps.73.20231836
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外尔半金属WTe2有强自旋轨道耦合且能产生新奇非常规面外极化的自旋流, 是近几年的新兴热点. 同时WTe2还具有高的电荷-自旋转换效率, 能在无外磁场辅助的情况下实现垂直磁矩确定性的翻转, 这对于高密度集成低功耗磁随机存取存储器至关重要. 本文回顾了近几年WTe2与铁磁层组成异质结构中自旋轨道矩研究的最新进展, 包括用不同方法制备的WTe2 (例如机械剥离和化学气相沉积)与铁磁层(例如FeNi和CoFeB等)、二维磁体(例如Fe3GeTe2等)组成异质结的自旋轨道矩探测和磁矩翻转的电调控研究进展. 最后, 对相关研究的发展提出展望.
2024, 73 (1): 011201.
doi: 10.7498/aps.73.20231473
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磁性斯格明子是一种非平庸的拓扑磁结构, 它能够在具有Dzyaloshinskii-Moriya (DM)相互作用的手性磁体中稳定存在, 其静态以及动态特性与其结构特征息息相关. 然而, 一般情况下斯格明子结构解析式并不存在. 因此, 许多研究者给出了近似解析式. 本文介绍了使用符号回归算法探索磁性斯格明子结构解析式的新方法, 在考虑DM相互作用和外部磁场对磁性斯格明子结构的影响下, 使用符号回归算法得到了两个较为合适的近似解析式, 其适用范围与占主导地位的相互作用有关. 研究结果验证了符号回归算法在探索磁性斯格明子结构解析式的强大能力, 为磁结构的解析式探索提供了新思路.
2024, 73 (5): 058502.
doi: 10.7498/aps.73.20231908
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固体中的声波有两种传播方式: 一种是声体波, 以纵波或横波的形式在固体内部传播; 另一种是声表面波, 在固体表面产生并沿着表面传播. 声波射频技术利用这些声波来截取和处理信号, 尤其体现在快速发展的射频滤波器技术中. 声学滤波器因其体积小、成本低和性能稳定等多方面的优势, 在移动通信等领域得到了广泛应用. 受益于成熟的制造工艺和确定的共振频率, 声波已逐渐成为操控磁性和自旋的有力手段, 这一领域正朝着小型化、超快和节能的自旋电子学器件应用迈进. 将磁性材料集成到声学射频器件, 也开辟了对声学器件调控方法和性能提升的新思路. 本综述首先梳理了各种磁声耦合的物理机制, 并在此基础上系统介绍了声控磁化动力学、磁化翻转、磁畴和磁性斯格明子产生及运动、自旋流产生等一系列磁性和自旋现象. 同时也讨论了声控磁的逆过程——磁控声波的研究进展, 包括声波参数的磁调控和声波的非互易传播, 以及基于此开发的新型磁声器件, 如磁传感器、磁电天线、可调谐滤波器等. 最后展望了磁声耦合未来可能的研究方向和潜在的应用前景.
2024, 73 (5): 057501.
doi: 10.7498/aps.73.20232010
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电控磁效应调控二维 (2D) 反铁磁 (AFM) 材料的研究结合了电控磁效应与半导体工艺兼容且低能耗的优势, 2D材料范德瓦耳斯界面便于异质集成以及AFM材料无杂散场、抗外磁场干扰、内禀频率高的优势, 成为领域内研究的重点. 载流子浓度调控是电控磁效应的主要机制, 已被证明是调控材料磁性能的有效途径. 层内AFM材料的净磁矩为零, 磁性调控测量存在挑战, 故其电控磁效应研究尚少且潜在的机制尚不清楚. 基于有机阳离子的多样性, 本文利用有机阳离子插层系统地调控了2D 层内AFM材料MPX3 (M = Mn, Fe, Ni; X = S, Se) 的载流子浓度, 并研究了电子掺杂对其磁性能的影响. 笔者在MPX3家族材料中发现了依赖载流子浓度变化的AFM-亚铁磁 (FIM)/铁磁 (FM) 的转变, 并结合理论计算揭示了其调控机制. 本研究为2D磁性材料的载流子调控磁相变提供了新的见解, 并为研究2D磁体的电子结构与磁性之间的强相关性以及设计新型自旋电子器件开辟了一条途径.
