Science：通過電子隧穿在2D范德華晶體絕緣體中探測磁性

【引言】

磁絕緣體是下一代自旋電子和拓撲器件的關鍵。近年來興起的拓撲絕緣體及其量子相變體系存在著多種新奇物理效應，并趁著2016年拓撲相變獲得諾貝爾物理學獎的“東風”，在凝聚態物理學、量子材料科學、信息電子學等多學科領域產生了廣泛而深遠的影響，在未來低能耗自旋電子器件中具有潛在應用。

【成果簡介】

近日，來自美國麻省理工的P. Jarillo-Herrero（通訊作者）的團隊在 Science發表了題為Probing magnetism in 2D van der Waals crystalline insulators via electron tunneling的文章，報道了分層磁絕緣體CrI₃的隧穿與溫度和施加磁場的關系，檢測磁性基態和層間耦合并觀察場誘導的磁性轉變，超磁轉變分別對雙層，三層和四層CrI₃阻擋層產生95％，300％和550％的磁阻，他們進一步測量了路口的非彈性隧道譜，揭示了與CrI₃中集體磁激發一致的光譜。

【圖文導讀】

圖1：實驗裝置圖

A: 四層CrI₃隧道結器件的光學顯微圖；

B: 金屬/鐵磁絕緣體/金屬結的示意性能量圖；

C: 零偏置結電阻與溫度的關系。

圖2：CrI₃的磁導率

A: 通過雙層CrI₃隧道勢壘（器件D2）的電導作為500μVAC激勵下面外施加磁場的函數；

B-C: 在低高場狀態下，旋轉并旋轉通過雙層CrI₃隧穿的電子所經歷的障礙的示意圖，在低場狀態下，這兩層反平行，并且兩個自旋都看到高阻擋層。 在高場條件下，各層對齊，向上自旋看到低能量壘，導致電導率增加。

圖3：CrI₃中磁電阻的起源

A: 在300 m K時，多個器件的磁阻比（黑圓圈）與CrI₃層數之比；

B: 多個器件的電阻面積與CrI₃層數的關系；

C: 用密度泛函理論計算三層石墨/三層CrI₃異質結構的電子結構。

圖4：非彈性隧道譜

A: 頂部在：施加零磁場時雙層CrI₃阻擋層器件（D2）的微分電導與直流偏壓的關系。AC激勵為200μV，溫度為300mK。底部：d²I/dV²的絕對值與直流偏置電壓的關系；

B: 對外加磁場和直流偏置電壓，所有三個非彈性峰隨著外加磁場的增加而增加；

C: 兩個最低能量非彈性峰值與外加磁場的能量；

D: CrI₃的狀態的磁振子密度；

E: 在零溫度下施加磁場的磁振子的色散；

F: 有限溫度下用磁場計算的重正規化的磁振子色散。

【小結】

該團隊的器件是“雙自旋濾波器”的一個例子，其中具有去耦磁層的磁隧道勢壘被用作磁存儲器，克服了以前的雙自旋濾波器的限制，這是由于原子級范圍內的磁層的獨特解耦德瓦爾斯差距，這種去耦提供了CrI₃磁化狀態的電讀數，沒有額外的鐵磁傳感器層，使得能夠檢測分層磁絕緣體上的自旋軌道轉矩，需要進一步的研究來理解這些器件中的電子磁偶極耦合，并有可能研究蜂窩狀鐵磁體中的玻色子拓撲問題。

文獻鏈接：Probing magnetism in 2D van der Waals crystalline insulators via electron tunneling（Science,2018, DOI: 10.1126/science.aar3617）

本文由材料人電子電工學術組楊超整理編輯。

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