北航这项科研成果登上《自然·电子学》

发布时间:2018-03-15 分类:院校动态

日前,国际知名学术期刊《自然》子刊《自然·电子学》(Nature Electronics)上发表了我校材料科学与工程学院刘知琪教授课题组研发的首个反铁磁材料拓扑反常霍尔效应的电场门控器件成果(研究型文章)。《自然·电子学》还邀请了反铁磁电子学领域著名学者、德国卡尔斯鲁厄理工学院Christoph Sürgers教授就这一成果撰写了专题评论,发表在同期上。物联网解决方案
北航
《自然·电子学》是Nature集团推出的Research Journal(俗称Nature大子刊),旨在发表电子学领域所涵盖的基础研究和应用研究的最新原创性成果,侧重报道新兴技术的发展及其对社会变革的重大影响。每月发表一期,每期通常仅有5-7篇研究型文章。我国在电子学领域的研究相对滞后。可以说,能登上《自然·电子学》的研究型文章,确实是凤毛麟角了!
我们生活在一个信息爆炸的时代,海量信息如何存储?主要使用的是铁磁材料。以不同磁性的正反两极来代表电脑里的0与1,起到数据存储的作用,写入数据实际上就是通过磁头对硬盘碟片表面的非常小的磁性物质的磁极进行改变的过程。但这种方法有一个弊端:在使用电流产生磁场的过程中,会带来大量无效焦耳热。小小的手机、电脑会发热;大数据、云计算依赖数量巨大的服务器,产热更高,因散热带来的能耗也更大。更别提“消磁”带来的数据丢失了。
既然铁磁材料有发热的弊端,又存在消磁的风险,我们能不能换种材料呢?
北京航空航天大学材料科学与工程学院刘知琪教授课题组在压电陶瓷BaTiO3单晶基片上制备出了高质量的非共线反铁磁金属间化合物Mn3Pt [图(a)]的外延单晶薄膜,并在其中观测到了很大的室温拓扑反常霍尔效应。在此基础上,实验团队进一步在压电陶瓷BaTiO3基片上施加电场[图(c)]来使其产生压电形变以带动上面的Mn3Pt薄膜的晶体结构发生形变,从而可以将Mn3Pt自旋结构在共线和非共线之间来回转换,相应地,拓扑反常霍尔效应也随之消失或出现[图(d)]。这样一来,就实现了外加电场对反铁磁材料的拓扑反常霍尔效应的“开”“关”调控,尤其是零磁场下的调控非常有利于实际应用。
他选择了反铁磁薄膜材料并结合压电陶瓷BaTiO3单晶基片。压电陶瓷存在一种“神奇”的压电效应,能把压力转化为电,对其外加电场时又会产生形变。
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利用这种特性,刘知琪和团队在BaTiO3单晶基片上制备出了高质量的非共线反铁磁金属间化合物Mn3Pt的外延单晶薄膜,其电阻态会随形变而改变。把不同的电阻态标记为0和1,即可实现数据存储。
而由于压电陶瓷绝缘性好,施加在其上的电场产生的电流可以忽略不计,其能耗较传统的铁磁材料会低3-4个数量级,也就是原来的1/1000~1/10000!这下,手机发热、电脑卡顿、磁卡消磁,都不是事儿!
北航参与此研究的人员包括材料科学与工程学院蒋成保教授、王敬民副教授、刘敬华博士、研究生冯泽鑫和闫晗。此外,我校“外专千人”、国际著名磁学专家J. M. D. Coey教授对此工作也给予了指导。理论工作由美国科罗拉多州立大学陈铧教授和德克萨斯大学奥斯汀分校Allan H. MacDonald教授完成,对实验观察进行了很好的物理解释。
北航刘知琪团队研发的反铁磁的薄膜材料,能用于恶劣磁场环境下的信息存储与处理,在探索木星、中子星等强磁场星球的宇航飞行器中,能发挥巨大的作用!两会前夕,CCTV《新闻直播间》报道了北航青年“海归”人才刘知琪教授和宫勇吉教授。该项研究得到了国家自然科学基金和北京航空航天大学青年拔尖人才计划的资助。为北航青年人才喝彩!
央视采访