电压调控型磁子晶体管

磁子(Magnon)作为磁有序系统的元激发和携带角动量及相位信息的准粒子，是开发后摩尔时代波基计算(Wave based computing)及无焦耳热微电子器件的理想信息载体。磁子流的高效量子调控即是实现磁子集成电路的物理基础，也是研制磁子学(Magnonics)器件的难点和热点。近年来研究人员提出了通过外磁场、微波电流、应力以及直流电流来实现磁子流的产生与调控，但这些常规调控方法由于在微纳米尺度上难集成或高能耗等缺点限制了它们作为磁子晶体管栅极的适用性。而电场调控以其局域性、高能效、与CMOS和大规模集成电路(LSIC)相互兼容等优势，成为构建磁子晶体管的最佳方法。然而，磁子电中性的特点又使其无法与电场直接耦合，因此电压调控型磁子晶体管的构建成为磁子学领域的待解难题。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室M02课题组基于在磁子学研究领域里近10年工作积累提出了一种创新性电压调控磁子输运的设计方案，理论上阐明了电压通过界面s-d耦合作用调控磁子流的物理机制，并实验制备出电压调控型磁子晶体管原型器件。

图1. (a)电压调控型磁子晶体管原理示意图。(b)V_g＞0时，底部NM/MI界面能带示意图，(c)栅极电压(V_g)调控底部NM/MI界面处传导电子概率密度示意图。Pt (8)/YIG (80)/Pt (5 nm)磁子晶体管 (d) V_g调控底部Pt/YIG界面自旋混合电导实部(G_r)数值计算结果与(e) V_g调控MECD效率实验结果。

这种电压调控型磁子晶体管由非磁金属/磁性绝缘体/非磁金属(NM/MI/NM)三明治结构组成，其中底部与顶部NM电极分别作为晶体管的源极与漏极。源极中通入的 x 方向电荷流在自旋霍尔效应(spin Hall effect)作用下转换为 z 方向流动的自旋极化的电子流(即自旋流)，在NM/MI界面处s-d交换耦合作用下、NM中传导的s电子其自旋角动量传递给MI中的局域d电子磁矩，进而激发出MI中的磁子流，也就是源极产生的自旋流极化方向平行或反平行MI磁矩时湮灭或激发MI中的磁子，磁子在浓度梯度驱动下产生 z 方向扩散的磁子流，并通过上述过程的逆过程在漏极NM中转化为 x 方向的(自旋极化电子流及其电荷流)电信号被探测。这一过程又被称为磁子媒介的电流拖拽效应。门电压通过拉低(抬高)NM/MI界面附近MI能带，提高(降低)NM中自旋极化的传导电子隧穿进入MI的几率，从而间接提高(降低)界面交换耦合强度，最终导致界面自旋-磁子转化效率的提高(降低)。因此，实验中Pt(8)/Y₃Fe₅O₁₂(80)/Pt(5 nm)磁子晶体管源极与漏极间磁子辅助的电流拖拽效应效率(或Y₃Fe₅O₁₂中磁子流强度)可以通过施加在两个Pt电极间的门电压来调控，调控效率达到10%/(MV/cm)。该项实验表明电压调控磁子流的能量效率相比先前报道的直流电流调控方法提高了5个数量级。故这种电压调控型磁子晶体管提供了一种通过门电压控制磁子高效传输的新技术和新方案。

相关研究成果作为编辑推荐文章(Editors’ Suggestion and Featured in Physics)发表在Phys. Rev. Lett. 132 (2024) 076701、并被美国物理学会《Physics》杂志作为亮点工作报道[February 16, Physics 17 (2024) 29]。M02组博士生王翼展为论文第一作者，其导师韩秀峰研究员以及万蔡华副研究员为共同通讯作者，M02组博士生张天乙、董京、陈鹏、于国强研究员分别参与了本工作的理论、实验及讨论等工作。本工作得到了科技部国家重点研发项目(2022YFA1402800)、国家基金委重点基金项目(51831012)、中国科学院先导B等项目经费支持。