【產(chǎn)通社，8月26日訊】北京理工大學(xué)（Beijing Institute of Technology, BIT）官網(wǎng)消息，物理學(xué)院姚裕貴教授、余智明教授團(tuán)隊(duì)提出了一種顛覆性的新效應(yīng)——自旋-層耦合（SLC），以實(shí)現(xiàn)自旋（而非自旋流）的柵極電場(chǎng)控制。該工作近日以“Predictable Gate-Field Control of Spin in Altermagnets with Spin-Layer Coupling”為題發(fā)表于物理學(xué)頂級(jí)期刊《Physical Review Letters》。

自巨磁阻效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來(lái)，自旋電子學(xué)領(lǐng)域迅猛發(fā)展，對(duì)自旋的調(diào)控成為該領(lǐng)域重要研究方向。這其中最好的方法是通過(guò)柵極電場(chǎng)調(diào)控自旋。盡管眾多方案競(jìng)相涌現(xiàn)，以期實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)調(diào)控自旋的最終目標(biāo)，但普遍存在兩大棘手難題：
（1） 高度依賴強(qiáng)自旋軌道耦合（SOC）作為先決條件，限制了材料選擇的廣泛性；
（2） 誘導(dǎo)產(chǎn)生的自旋劈裂現(xiàn)象難以精準(zhǔn)預(yù)測(cè)與控制，給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)不確定性的挑戰(zhàn)。這些不足之處嚴(yán)重阻礙了全電控自旋技術(shù)向更深層次發(fā)展的步伐。

在本研究工作中，團(tuán)隊(duì)提出了一種顛覆性的效應(yīng)，通過(guò)電學(xué)手段實(shí)現(xiàn)自旋極化的可預(yù)測(cè)控制，從而解決這一挑戰(zhàn)性任務(wù)。他們的想法基于一種新穎的物理機(jī)制——以谷為媒介的自旋-層耦合 （SLC）——這一機(jī)制存在于一種新發(fā)現(xiàn)的磁性材料，即交錯(cuò)磁體 （altermagnets）。SLC指的是自旋與層自由度之間的耦合，通過(guò)它可使電場(chǎng)能夠像磁場(chǎng)一樣精準(zhǔn)可控的操控自旋。值得注意的是，SLC在有無(wú)SOC的情況下都能有效運(yùn)行，從而一舉克服上述兩大缺陷。

團(tuán)隊(duì)還通過(guò)系統(tǒng)性的對(duì)稱性分析，提出了實(shí)現(xiàn)谷媒介SLC的對(duì)稱性條件，并列出了所有具有谷媒介SLC的23個(gè)磁層群。此外團(tuán)隊(duì)還確定了9種高質(zhì)量的材料候選者：?jiǎn)螌覥a（CoN）2家族�；谶@些具體材料，該工作展示了通過(guò)施加?xùn)艠O場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)（近乎）均勻、連續(xù)和可切換的自旋極化控制。特別是，施加0.2 eV/?的柵極場(chǎng)可以產(chǎn)生約100 meV的自旋劈裂，相當(dāng)于一個(gè)高達(dá)1000 T的有效靜態(tài)磁場(chǎng)。

此外，團(tuán)隊(duì)提出的谷媒介SLC方案還可以徹底改變類隧道磁阻 （TMR） 器件的設(shè)計(jì)方式。所提出的類TMR器件不僅表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的TMR效應(yīng)，而且由單一材料構(gòu)成—TMR器件中的平行和反平行配置可以通過(guò)對(duì)材料不同區(qū)域施加平行和反平行的柵極電場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

探索全電控自旋新機(jī)制是凝聚態(tài)和材料物理領(lǐng)域重要的研究課題，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。該研究為通過(guò)純電手段的可預(yù)測(cè)的自旋調(diào)控提供了嶄新機(jī)遇，并為設(shè)計(jì)可以全電控制的自旋電子器件開(kāi)辟了全新的方向，將成為自旋電子學(xué)和能谷電子學(xué)領(lǐng)域的里程碑式進(jìn)展。

北京理工大學(xué)為該工作的唯一完成單位。北京理工大學(xué)物理學(xué)院的姚裕貴教授、余智明教授為論文的共同通訊作者，張閏午特別研究員和崔朝喜博士研究生為論文的第一作者。參與該研究工作的還有博士研究生李潤(rùn)澤、段璟奕，博士后黎磊。該工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和北京理工大學(xué)青年人才啟動(dòng)項(xiàng)目等的大力支持。

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