近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院強磁場(chǎng)中心低功耗量子材料研究團隊與合肥工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等研究團隊合作，利用質(zhì)子門(mén)電壓調控技術(shù)在二維鐵磁材料Cr_1.2Te₂中實(shí)現了室溫下的鐵磁-反鐵磁相變。研究成果發(fā)表在物理期刊Physical Review Letters上，文章被選為編輯推薦論文。

　　在傳統磁性器件中，磁化方向一般可以通過(guò)電流產(chǎn)生局域的磁場(chǎng)或者自旋轉矩等方式來(lái)實(shí)現操控，這些方法不可避免地會(huì )產(chǎn)生焦耳熱。近年來(lái)，人們嘗試利用純電場(chǎng)手段來(lái)操控磁化方向，從而實(shí)現磁調控。因此，實(shí)現低維磁性材料的電場(chǎng)調控是發(fā)展超緊湊、低功耗、非易失性自旋電子學(xué)器件的關(guān)鍵。對于二維巡游磁體系，電場(chǎng)調控磁性所面臨的挑戰是如何有效地調控巡游磁體系中的超高載流子濃度。該合作團隊在前期研究中利用固態(tài)質(zhì)子門(mén)電壓調控技術(shù)實(shí)現了層狀鐵磁金屬Fe₅GeTe₂的質(zhì)子插層，從而大幅度地改變了體系的載流子濃度并實(shí)現了該材料低溫下的磁相變[Nano Lett. 21, 5599-5605 (2021)]。然而，Fe₅GeTe₂納米片中門(mén)電壓可控的磁相變溫度遠低于室溫，難以實(shí)用化。因此，尋找室溫下具有矩形磁滯回線(xiàn)且易于調控的鐵磁材料具有重大意義。

　　為此，該團隊制備出了具有室溫磁性的二維鐵磁材料Cr_1.2Te₂單晶，通過(guò)機械剝離獲得了不同厚度（12 nm~40 nm）的Cr_1.2Te₂納米片。輸運測量發(fā)現，Cr_1.2Te₂納米片在室溫下展示出了矩形磁滯回線(xiàn)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。進(jìn)一步研究發(fā)現，在T=200 K，Cr_1.2Te₂納米片在固態(tài)質(zhì)子門(mén)電壓調控下其磁性呈現出非單調的演化規律，反常霍爾電阻率在電子型摻雜下先增大(-8 V≤V_g<0 V)再減小（V_g<-8 V）, 當門(mén)電壓V_g=-14 V同時(shí)電子摻雜濃度達到3.8 10²¹ cm^-3時(shí)，體系反常霍爾效應消失，表明該體系在電子摻雜下其磁基態(tài)發(fā)生了改變。當T=290 K時(shí)，研究人員發(fā)現Cr_1.2Te₂納米片的鐵磁性在質(zhì)子插層下呈現出了相似的演變規律，即反常霍爾電阻率隨著(zhù)電子摻雜濃度的增加先增大再減小并最終消失，如下圖所示。理論分析發(fā)現，Cr_1.2Te₂在質(zhì)子插層下可實(shí)現電子摻雜，當摻雜濃度達到10²¹ cm^-3量級時(shí)，磁基態(tài)可從鐵磁轉變?yōu)榉磋F磁，這與實(shí)驗觀(guān)測的現象一致。實(shí)現室溫下磁性材料的電場(chǎng)調控有助于發(fā)展可實(shí)用化的自旋電子學(xué)器件。

　　合肥工業(yè)大學(xué)談?wù)\博士為論文的第一作者，華南理工大學(xué)廖繼海博士為論文的共同第一作者。中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院強磁場(chǎng)中心鄭國林研究員、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)向斌教授、華南理工大學(xué)趙宇軍教授以及合肥工業(yè)大學(xué)王瀾教授為論文的共同通訊作者。該工作得到了得到了科技部、基金委、中國科學(xué)院等項目的支持。

　　文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.166703 

　　(左)器件示意圖。（右）室溫下Cr_1.2Te₂納米片在固態(tài)質(zhì)子門(mén)電壓調控下的磁相變過(guò)程。