磁子(Magnon)作為磁有序系統(tǒng)的元激發(fā)和攜帶角動量及相位信息的準(zhǔn)粒子，是開發(fā)后摩爾時代波基計算(Wave based computing)及無焦耳熱微電子器件的理想信息載體。磁子流的高效量子調(diào)控即是實現(xiàn)磁子集成電路的物理基礎(chǔ)，也是研制磁子學(xué)(Magnonics)器件的難點和熱點。近年來研究人員提出了通過外磁場、微波電流、應(yīng)力以及直流電流來實現(xiàn)磁子流的產(chǎn)生與調(diào)控，但這些常規(guī)調(diào)控方法由于在微納米尺度上難集成或高能耗等缺點限制了它們作為磁子晶體管柵極的適用性。而電場調(diào)控以其局域性、高能效、與CMOS和大規(guī)模集成電路(LSIC)相互兼容等優(yōu)勢，成為構(gòu)建磁子晶體管的最佳方法。然而，磁子電中性的特點又使其無法與電場直接耦合，因此電壓調(diào)控型磁子晶體管的構(gòu)建成為磁子學(xué)領(lǐng)域的待解難題。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學(xué)國家重點實驗室M02課題組基于在磁子學(xué)研究領(lǐng)域里近10年工作積累提出了一種創(chuàng)新性電壓調(diào)控磁子輸運的設(shè)計方案，理論上闡明了電壓通過界面s-d耦合作用調(diào)控磁子流的物理機制，并實驗制備出電壓調(diào)控型磁子晶體管原型器件。

圖1. (a)電壓調(diào)控型磁子晶體管原理示意圖。(b)V_g＞0時，底部NM/MI界面能帶示意圖，(c)柵極電壓(V_g)調(diào)控底部NM/MI界面處傳導(dǎo)電子概率密度示意圖。Pt (8)/YIG (80)/Pt (5 nm)磁子晶體管 (d)?V_g調(diào)控底部Pt/YIG界面自旋混合電導(dǎo)實部(G_r)數(shù)值計算結(jié)果與(e)?V_g調(diào)控MECD效率實驗結(jié)果。

這種電壓調(diào)控型磁子晶體管由非磁金屬/磁性絕緣體/非磁金屬(NM/MI/NM)三明治結(jié)構(gòu)組成，其中底部與頂部NM電極分別作為晶體管的源極與漏極。源極中通入的 x 方向電荷流在自旋霍爾效應(yīng)(spin Hall effect)作用下轉(zhuǎn)換為 z?方向流動的自旋極化的電子流(即自旋流)，在NM/MI界面處s-d交換耦合作用下、NM中傳導(dǎo)的s電子其自旋角動量傳遞給MI中的局域d電子磁矩，進而激發(fā)出MI中的磁子流，也就是源極產(chǎn)生的自旋流極化方向平行或反平行MI磁矩時湮滅或激發(fā)MI中的磁子，磁子在濃度梯度驅(qū)動下產(chǎn)生 z?方向擴散的磁子流，并通過上述過程的逆過程在漏極NM中轉(zhuǎn)化為 x?方向的(自旋極化電子流及其電荷流)電信號被探測。這一過程又被稱為磁子媒介的電流拖拽效應(yīng)。門電壓通過拉低(抬高)NM/MI界面附近MI能帶，提高(降低)NM中自旋極化的傳導(dǎo)電子隧穿進入MI的幾率，從而間接提高(降低)界面交換耦合強度，最終導(dǎo)致界面自旋-磁子轉(zhuǎn)化效率的提高(降低)。因此，實驗中Pt(8)/Y₃Fe₅O₁₂(80)/Pt(5 nm)磁子晶體管源極與漏極間磁子輔助的電流拖拽效應(yīng)效率(或Y₃Fe₅O₁₂中磁子流強度)可以通過施加在兩個Pt電極間的門電壓來調(diào)控，調(diào)控效率達到10%/(MV/cm)。該項實驗表明電壓調(diào)控磁子流的能量效率相比先前報道的直流電流調(diào)控方法提高了5個數(shù)量級。故這種電壓調(diào)控型磁子晶體管提供了一種通過門電壓控制磁子高效傳輸?shù)男录夹g(shù)和新方案。

相關(guān)研究成果作為編輯推薦文章(Editors’?Suggestion and Featured in Physics)發(fā)表在Phys. Rev. Lett.?132?(2024) 076701、并被美國物理學(xué)會《Physics》雜志作為亮點工作報道[February 16, Physics 17 (2024) 29]。M02組博士生王翼展為論文第一作者，其導(dǎo)師韓秀峰研究員以及萬蔡華副研究員為共同通訊作者，M02組博士生張?zhí)煲?、董京、陳鵬、于國強研究員分別參與了本工作的理論、實驗及討論等工作。本工作得到了科技部國家重點研發(fā)項目(2022YFA1402800)、國家基金委重點基金項目(51831012)、中國科學(xué)院先導(dǎo)B等項目經(jīng)費支持。