物理学家现在已经证明可以通过电学手段控制磁性半导体中的磁性，为新型自旋电子器件铺平了道路。半导体是信息处理技术的核心，以晶体管的形式，半导体充当电荷的开关，允许在二进制状态0和1之间切换。另一方面，磁性材料是信息存储设备的重要部件。研究利用电子的自旋自由度来实现记忆功能。磁性半导体是一类独特的材料，可以同时控制电荷和自旋，有可能在单一平台上实现信息处理和存储操作。
关键的挑战是利用电场控制电子自旋或磁化，就像晶体管控制电荷一样。然而，磁性半导体中的磁场通常对电场依赖性很弱，而且其影响通常仅限于低温温度。由新加坡国立大学物理系和化学系Goki EDA教授领导的一个研究小组，以及英国国立大学先进二维材料中心与伦敦大学学院伦敦纳米技术中心的Hidekazu KUREBAYASHI教授合作，发现磁性半导体Cr2Ge2Te6的磁性对外加电场的响应异常强烈。
在外加电场的情况下，发现该材料在200K(-73°C)的温度下表现出铁磁性(电子自旋自发排列的状态)。在这样的温度下，这种材料通常不存在铁磁性。研究人员通过在这种材料上涂上一层含有溶解离子的聚合物凝胶，对其施加了很强的电场。当电压施加到聚合物凝胶上时，在材料表面形成一层离子，在材料中诱导出强大的电场和高密度的可移动电子。在没有这些可移动电子的情况下(即当施加的电压为零时)，铁磁性仅在61K(-212°C)以下发生。
这个临界温度称为居里温度，低于这个临界温度就会出现铁磁有序。在这个温度以上，自旋方向是随机的(顺磁状态)，使得磁记忆操作不可能进行。当向聚合物凝胶施加几伏特的电势时，研究人员发现居里温度上升了100°C以上，这种由电场触发的居里温度大幅上升在磁性半导体中是不寻常的。研究人员得出结论：离子诱导的移动电子是在较高温度下观察到磁序的原因。
主要作者、该团队的研究员伊万·维尔兹HBITSKIY博士说：材料中存在的可移动电子有助于将自旋信息从一个原子位携带到另一个原子位，并建立磁性秩序，从而导致更高的居里温度。这些器件的工作温度仍然远低于室温，这使得它们在现有技术中的实现是不现实的。然而，研究团队的目标是在未来的研究中克服这一限制。观察到的这种独特现象不仅限于这种特殊化合物，而且可以预期在其他相关材料系统中也是如此。
只要仔细选择材料，就有可能开发出在室温下运行的设备，这可能会带来突破性的新技术。
博科园｜研究/来自：新加坡国立大学
参考期刊《自然·电子学》
DOI: 10.1038/s41928-020-0427-7
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