近期，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室(籌)極端條件實驗室靳常青研究組在基于自旋和電荷分別注入機制的稀磁半導(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，在信息存儲中同時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)體中實現(xiàn) 磁有序需要具備兩個基本物理條件，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)的實驗工作發(fā)現(xiàn)，(Ba,K)(Zn,Mn)2As2在30% K和10% Mn摻雜量時每個Mn離子具有接近1.3個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，運用μSR技術(shù)研究了(Ba,K)(Zn,Mn)2As2的磁性，證實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，對“122”型鐵基超導(dǎo)體(Ca,Na)Fe2As2，該研究組的趙侃實現(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目、重大研究計劃項目、科技部量子調(diào)控項目的資助。