近年來發現的範德瓦爾斯磁體是一種低維自旋有序體系。這種體系由于在二維超薄極限下仍然可能具有磁序，且具有高度可調性和功能化特性而受到廣泛關注。其中，二維磁體的自旋波量子（磁振子）作為一種低功耗的信息載體，在未來量子增強的信息技術領域具有重要的應用潛力。

磁振子應用于信息領域所面臨的第一個門檻是制備類比于基于電荷的晶體管開關效應的磁振子的“開”态和“關”态。由于磁振子的強波動性，注入和探測磁振子信号相對易于實現，但是通過栅電極在非特征頻率下完全關閉磁振子信号則是一個尚未解決的國際性難題。此前，人們通過磁場變化實現了磁振子信号的開關，然而磁場難以局域化的特點使得這類磁控磁振子閥無法進行規模集成。因此，實現可完全開關、易于小型化和集成化的電控磁振子閥一直是科學家的追求目标。

陳劍豪課題組長期研究低維量子材料器件物理，與合作者在低維高遷移率材料、低維拓撲材料和低維磁性材料領域完成一系列重要的研究工作，如發現原位氫化石墨烯的可控自旋軌道耦合和鐵磁-反鐵磁耦合相變（Physical Review B 102, 045402 (2020)；Physical Review B 104, 125422 (2021)），發現拓撲半金屬的對稱性破缺和非線性光電效應（Advanced Materials 30, 1706402 (2018); Nature Materials 18, 476 (2019)）等。

近日，陳劍豪課題組實驗發現低維磁體的磁振子輸運過程具有高度可調性，并與beat365謝心澄院士、近藤龍一（Ryuichi Shindo）研究員，複旦大學肖江教授、南陽理工大學劉政副教授和中山大學于鵬副教授等合作，建立了二維磁振子模型，并量化分析了其輸運過程中的高度非線性；利用這種非線性，陳劍豪課題組制備了基于範德瓦爾斯反鐵磁絕緣體MnPS₃（錳磷硫）的磁振子閥，實現了對其二次諧波磁振子信号的完全可逆電調控，并首次演示了擴散型磁振子邏輯非門。磁振子邏輯是一種嶄新的低功耗數字電路方案，未來有望成為基于電荷邏輯方案的良好補充。

這項研究工作還預言了包括但不限于CrI₃（碘化鉻）、CrBr₃（溴化鉻）、FePS₃（鐵磷硫）、CrPS₄（鉻磷硫）等一大類範德瓦爾斯鐵磁和反鐵磁材料，都将表現出與MnPS₃類似的磁振子閥調控效果。該成果作為低維自旋電子學領域研究的一項突破，對材料科學、納米電子學和物理學領域都将産生重大影響。

圖1 MnPS₃磁振子閥結構圖

A.反鐵磁絕緣體MnPS₃的晶體和自旋結構的原子模型；B.MnPS₃磁振子閥裝置的原子力顯微圖，其中注入端、栅極和探測端電極分别用深綠色、紅色和藍色标記；C.磁振子的産生、調控和探測示意圖，其中左上部分展示了帶有外部電路的器件結構和面内磁場的方向，右下部分展示了栅極對自旋波的電調控，I_in為交流注入電流，I_gate為直流栅極調控電流，V_2ω為逆自旋霍爾電壓二次諧波信号，θ為面内磁場與x方向的夾角

圖2 MnPS₃磁振子閥的電調控

A. V_2ω,0 與直流栅極電流I_gate在B = 9 T、T = 2 K下的關系；B. V_2ω在不同I_gate下與外部磁場角度θ的關系；C. 利用I_gate在0 μA（“開”态）和 150 μA（“關”态）之間實現MnPS₃ 磁振子閥的反複開關（磁振子非門）

2021年11月1日，相關研究成果以“電控範德瓦爾斯磁振子閥”（Electrically switchable van der waals magnon valves）為題，在線發表于《自然·通訊》（Nature Communications）；beat3652017級博士研究生陳光毅和齊少勉為共同第一作者；陳劍豪為通訊作者。

上述研究工作得到了國家重點研發計劃“量子調控與量子信息”重點專項、國家自然科學基金、北京市自然科學基金傑出青年科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項等項目的支持。

論文原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26523-1