西安交大物理学院王喆教授团队在二维磁性半导体研究方面取得重要进展

磁电阻效应，特别是在绝缘磁性体系中的研究，对自旋电子学及信息技术影响深远。近期，西安交通大学团队在二维反铁磁半导体CrPS4中发现罕见的磁电阻振荡，为磁性半导体系统中的量子输运行为提供了新的理解视角。

磁电阻效应是一种广受关注的物理现象，因其既展现了丰富的物理内涵，也在工业技术中具有广泛的应用潜力。磁电阻振荡通常体现了物质内部某种量子行为，典型代表包括Shubnikov–de Haas振荡以及Aharonov-Bohm效应。然而磁电阻振荡一般只在导电体系中存在，极少在绝缘体系中观测到。过去几十年间，绝缘磁性体系中的磁电阻效应一直是研究的热点，其研究成果为自旋电子学奠定了基础并对当前信息技术产生了深远影响。然而在已研究的磁性隧道结和自旋滤波器件中，磁电阻总是随系统磁化强度单调变化。近日，西安交通大学物理学院王喆教授团队与其合作者在二维反铁磁半导体CrPS4中发现了罕见的磁电阻振荡现象并阐述了其可能的微观机制。团队制备了“石墨烯/CrPS4/石墨烯”垂直节并系统测量了其在不同温度、磁场方向、电压、样品厚度下的磁电阻，发现了磁电阻振荡效应并总结了其演化规律，证明了其与CrPS4中自旋倾斜态相关。进一步分析指出这一现象的微观产生机制可能与自旋极化缺点态的跃迁有关，并提出自旋挑选的层间跃迁理论模型，在引入自旋贝里相位后可以较为完美的解释实验现象。这项工作为磁性半导体系统中量子输运行为的理解提供了新的视角，表明二维磁性半导体不但具有自旋电子器件应用潜能，也为新奇物理现象研究提供了有趣平台。
图1. (左)10层CrPS4器件2 K下的磁电阻振荡；(右上)垂直节示意图；(右下)自旋挑选的层间跃迁模型示意图。研究成果以“二维反铁磁半导体CrPS4垂直节中的磁电阻振荡”(Magnetoresistance Oscillations in Vertical Junctions of 2D Antiferromagnetic Semiconductor CrPS4)为题在《物理评论X》(Physical Review X)上发表，物理学院研究生史鹏媛与王啸宇分别为第一与共同第一作者，物理学院王喆教授与潘杰副教授为通讯作者，物理学院张磊教授与杨森教授也做出了重要贡献。本研究获得了国家自然科学基金、陕西省基础科学(数学、物理学)研究院以及中央高校基本业务费的支持。王喆教授团队长期从事低维量子材料与器件的研究，在二维磁性半导体方面已发表了包括《科学》(Science)、《自然-纳米技术》(Nature Nanotechnology)、《物理评论X》(Physical Review X)在内的多篇论文。