Science：通过电子隧穿在2D范德华晶体绝缘体中探测磁性

【引言】

磁绝缘体是下一代自旋电子和拓扑器件的关键。近年来兴起的拓扑绝缘体及其量子相变体系存在着多种新奇物理效应，并趁着2016年拓扑相变获得诺贝尔物理学奖的“东风”，在凝聚态物理学、量子材料科学、信息电子学等多学科领域产生了广泛而深远的影响，在未来低能耗自旋电子器件中具有潜在应用。

【成果简介】

近日，来自美国麻省理工的P. Jarillo-Herrero（通讯作者）的团队在 Science发表了题为Probing magnetism in 2D van der Waals crystalline insulators via electron tunneling的文章，报道了分层磁绝缘体CrI₃的隧穿与温度和施加磁场的关系，检测磁性基态和层间耦合并观察场诱导的磁性转变，超磁转变分别对双层，三层和四层CrI₃阻挡层产生95％，300％和550％的磁阻，他们进一步测量了路口的非弹性隧道谱，揭示了与CrI₃中集体磁激发一致的光谱。

【图文导读】

图1：实验装置图

A: 四层CrI₃隧道结器件的光学显微图；

B: 金属/铁磁绝缘体/金属结的示意性能量图；

C: 零偏置结电阻与温度的关系。

图2：CrI₃的磁导率

A: 通过双层CrI₃隧道势垒（器件D2）的电导作为500μVAC激励下面外施加磁场的函数；

B-C: 在低高场状态下，旋转并旋转通过双层CrI₃隧穿的电子所经历的障碍的示意图，在低场状态下，这两层反平行，并且两个自旋都看到高阻挡层。 在高场条件下，各层对齐，向上自旋看到低能量垒，导致电导率增加。

D-F: 四层CrI₃屏障装置的原理图。

图3：CrI₃中磁电阻的起源

A: 在300 m K时，多个器件的磁阻比（黑圆圈）与CrI₃层数之比；

B: 多个器件的电阻面积与CrI₃层数的关系；

C: 用密度泛函理论计算三层石墨/三层CrI₃异质结构的电子结构。

图4：非弹性隧道谱

A: 顶部在：施加零磁场时双层CrI₃阻挡层器件（D2）的微分电导与直流偏压的关系。AC激励为200μV，温度为300mK。底部：d²I/dV²的绝对值与直流偏置电压的关系；

B: 对外加磁场和直流偏置电压，所有三个非弹性峰随着外加磁场的增加而增加；

C: 两个最低能量非弹性峰值与外加磁场的能量；

D: CrI₃的状态的磁振子密度；

E: 在零温度下施加磁场的磁振子的色散；

F: 有限温度下用磁场计算的重正规化的磁振子色散。

【小结】

该团队的器件是“双自旋滤波器”的一个例子，其中具有去耦磁层的磁隧道势垒被用作磁存储器，克服了以前的双自旋滤波器的限制，这是由于原子级范围内的磁层的独特解耦德瓦尔斯差距，这种去耦提供了CrI₃磁化状态的电读数，没有额外的铁磁传感器层，使得能够检测分层磁绝缘体上的自旋轨道转矩，需要进一步的研究来理解这些器件中的电子磁偶极耦合，并有可能研究蜂窝状铁磁体中的玻色子拓扑问题。

文献链接：Probing magnetism in 2D van der Waals crystalline insulators via electron tunneling（Science,2018, DOI: 10.1126/science.aar3617）