褚君浩院士团队在反铁磁领域发现普适理论，多位诺贝尔奖获得者都在该领域有所建树

▲ 信息科学技术学院褚君浩院士与龚士静副研究员

11月9日，记者从华东师范大学获悉，该校信息科学技术学院褚君浩院士团队在二维反铁磁领域获重要突破：在二维A-type反铁磁中提出了实现100%自旋极化的普适理论，并设计出新型二维自旋场效应晶体管模型，被认为是反铁磁应用的重要进展。该研究成果日前发表于《美国科学院院报》（PNAS）。国际权威审稿人对此发现无比激动，认为是“令人惊喜的成果。”

据悉，这项研究是由华东师范大学与加州大学伯克利分校张翔院士（现香港大学校长）合作完成的。

上世纪70年代，法国科学家Néel因其反铁磁研究成果获得诺贝尔奖，反铁磁具有重要的理论研究价值，但宏观磁矩为零使其磁结构很难测定，严重限制了其实际应用。

据悉，该研究在二维A-type反铁磁中提出了实现half metal (100%自旋极化)的普适理论，设计了新型二维自旋场效应晶体管模型，是反铁磁应用的重要进展。研究结果以“Electrically induced 2D half-metallic antiferromagnets and spin field effect transistors”为题，2018年8月发表在《美国科学院院报》（PNAS）。这项研究与加州大学伯克利分校Xiang Zhang院士（现香港大学校长）合作完成，华东师范大学为第一完成单位，龚士静副研究员为第一作者，Xiang Zhang院士为共同通讯作者。

▲《美国科学院院报》（PNAS）发表褚君浩院士团队在二维反铁磁领域的重要进展

龚士静副研究员自2010年入职华东师范大学以来，一直从事自旋电子学领域研究。她在传统半导体材料中的自旋调控，尤其是基于自旋轨道耦合作用的全电学自旋调控方面，积累了丰富的研究经验，在Phys. Rev. Lett., Nat. Commun., Adv. Energy mater.等国际著名期刊发表论文四十余篇。在新兴的二维磁性材料领域，她结合前期积累的电控磁性研究优势与二维磁性材料的新特点，很快在二维反铁磁研究取得重要进展。

▲信息科学技术学院极化材料与器件实验室龚士静副研究员

反铁磁的机遇与挑战：

1970年法国科学家Néel因其反铁磁研究成果获得诺贝尔奖，在他的诺贝尔奖演讲中提到：“Antiferromagnetic materials are extremely interesting from the theoretical viewpoint, but do not seem to have any applications.” 反铁磁具有重要的理论研究价值，但宏观磁矩为零使其磁结构很难测定，严重限制了其实际应用。2004年英国曼切斯特大学Andre Geim与Novoselov两位科学家从石墨薄片中剥离出了石墨烯，标志着二维材料时代的开始。2017年加州大学伯克利分校Xiang Zhang院士首次在实验中获得二维铁磁性材料Cr2Ge2Te6, 至此激发了人们对二维磁性材料的研究兴趣。但是目前已经发现的二维磁性材料有很大一部分为反铁磁，这使得大量关于二维磁性材料的研究再次止步于应用。

在测试双层二维磁性材料Cr2Ge2Te6，VSe2等的电子结构时研究团队发现如果双层材料层间为反铁磁交换作用时，施加垂直电场可以很方便的实现100%自旋极化的half-metallicity性质。进一步的分析表明，利用半导体性的双层A-type反铁磁（层内铁磁，层间反铁磁）得到half-metallicity性质是一个普适理论，这个发现让研究团队无比惊喜，事实证明也让审稿人无比激动，在审稿意见中多处提到。

半导体性的双层A-type反铁磁在垂直电场作用下的能带演变非常简单。图（A）为无外加电场时半导体性的A-type反铁磁能带示意图，由于A-type反铁磁的结构特点，使得layer-1与layer-2中自旋属性相反；图B为双层A-type反铁磁的结构示意图，施加从layer-2指向layer-1的电场将导致双层结构的layer-1电势升高，layer-2电势降低。外加电场达到一定强度时（临界电场），导带底与价带顶接触，发生半导体-金属相变，同时费米能级附近被同一种自旋态(蓝色)占据，形成100%自旋极化的half-metallicity性质（图C）。

▲ 半导体性的双层A-type反铁磁结构示意图以及电场作用下能带演变示意图

该研究的重要意义在于，利用双层A-type反铁磁的half-metallicity性质可以实现新型的自旋场效应晶体管。当垂直电场大于临界电场时，即可获得100%的上自旋极化流（蓝色），翻转外加电场方向可获得100%下自旋极化流（红色）。1990年Datta提出的自旋场效应晶体管，其工作性能依赖通道中电子自旋进动的精准控制，该理论虽然备受关注但精准控制自旋进动状态在实验上困难重重。我们利用电场调控A-type反铁磁的电子结构，实验操作简单方便，基本原理也完全不同于Datta-Das自旋场效应晶体管。通过与实验合作者的多次讨论，我们在论文中加入了很多关于实验可行性的讨论，对实现新型自旋场效应晶体管可能遇到的实际问题进行了详细阐述，包括器件工作温度，二维磁畴大小，电极影响，二维磁性材料厚度对器件性能影响等等，使研究工作不仅理论新颖而且对未来的实验研究提供了充分的细节指导。

▲ 基于双层A-type反铁磁的自旋场效应晶体管模型示意图及工作原理

论文从筹备、投稿、修稿到最后接收，团队付出了不懈努力。劳伦斯伯克利国家实验室Xiang Zhang院士在实验可行性分析方面提供了宝贵意见，使论文学术和应用价值到达了新的高度。

“在与实验研究组合作的过程中，我们逐渐认识到一个好的理论研究工作不能仅仅只满足于新理论或者新概念，同时应具有引领后续实验的作用，并尽可能从理论方面预言后续实验可能遇到的困难。”龚士静说。褚君浩院士也谈到：“基础研究的原创性发现非常重要，它的重要性通常不会像应用领域的技术突破很快被接受，因此，做基础研究需要足够的耐心和恒心，底子牢固了后劲才足；另外我们应创造条件加强合作，包括实验/理论合作，国内/国际合作，在自己的研究领域做大做强，做出特色。”

信息学院研究生孙钰云、杜二伟、韦玥参与了计算分析；朱亮清副研究员在程序设计方面提供了很多帮助；从事同领域研究的唐晓东研究员、白伟副研究员提供了研究思路和有益讨论；电控磁性是极化材料实验室重要发展方向之一，实验室主任段纯刚教授对研究工作给予了充分支持。褚君浩院士作为红外物理与半导体自旋器件专家，多次担任科技部“973项目”首席科学家，主持国家重点基础研发项目，为信息学院科研发展以及人才培养倾注了全力。

以上研究获得中国国家自然科学基金(61774059)、美国科学基金（1753380）、上海市自然科学基金 (18ZR1412500) 以及国家留学基金委（2015061450）支持；计算资源获得华东师范大学超算中心支持。

编辑：张鹏
责任编辑：姜澎

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