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體研究中取得重要進展。他們發(fā)現(xiàn)一類新的具有“122”鐵基超導體同結構的稀磁體(Ba,K)(Zn,Mn)₂As₂，得到居里轉變溫度(Tc)高達180K以上的稀磁半導體。

在半導體中引入自旋，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提供重要解決方案。在半導體中實現(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，不能分別注入和調控。以最典型的基于III~V族的(Ga,Mn)As稀磁半導體為例，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嚴重制約了對材料電、磁性質的調控。

為解決自旋電荷分別注入這個關鍵問題，該研究組在2011年首先發(fā)現(xiàn)了基于I-II-V族半導體的新型稀磁體Li(Zn,Mn)As【Nature Communications2:422 (2011)】，其具有和GaAs同樣的晶體結構。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的含量來進行調控。這樣，在LiZnAs半導體中就可以實現(xiàn)自旋和電荷的分別注入，但其50K的Tc明顯低于(Ga,Mn)As體系的鐵磁轉變溫度。

最近，靳常青研究員指導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180K以上。

他們進一步發(fā)現(xiàn)，(Ba,K)(Zn,Mn)₂As₂在在轉變溫度以下相當寬的溫度范圍內具有低的矯頑力（≤100Oe），為將來在低場條件下調控自旋和電荷的潛在應用提供了可能。本工作的合作者美國哥倫比亞大學物理系的Uemura教授，運用μSR技術研究了(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”鐵基超導體同構，(Ba,K)(Zn,Mn)₂As₂稀磁體、(Ba,K)Fe₂As₂超導體、BaMn₂As₂反鐵磁半導體晶體結構均相同，而且它們具有匹配的晶格參數(shù)(晶格參數(shù)失配度~5%)。這為設計基于磁性、半導體和超導體的異質結，探索新的物理效應和新的應用提供了重要基礎。

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”型鐵基超導體【Solid State Communications148, 538 (2008)】，接著相繼發(fā)現(xiàn)了“111”體系新組元LiFeP超導體【Eur. Phys. Lett. 87, 37004(2009)】，在高壓NaFeAs超導體中得到了31K的“111”型最高超導轉變溫度【Eur. Phys. Lett. 88, 47008(2009)】。同時，對“122”型鐵基超導體(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轉變溫度【J. Phys.: Condens. Matter22, 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展。

以上工作發(fā)表在近期Nature Communications上(Nature Communications DOI10.1038/ncomms2447)，研究工作得到國家自然科學基金委重大國際合作項目、重大研究計劃項目、科技部量子調控項目的資助。

圖1. (a) BaZn₂As₂、(b) BaFe₂As₂、(c) BaMn₂As₂的晶體結構示意圖

圖2. (Ba,K)(Zn,Mn)₂As₂系列樣品的磁性和反常霍爾效應的測量結果。 在30%K&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180K。(Ba_0.85K_0.15)(Zn_0.9Mn_0.1)₂As₂在鐵磁居里溫度90K以下表現(xiàn)出反常霍爾效應。

圖3. (Ba_0.8K_0.2)(Zn_0.9Mn_0.1)₂As₂的μSR實驗結果，磁有序體積在鐵磁轉變溫度區(qū)顯著上升，并且在低溫下進入完全磁有序。