日前，我校物質(zhì)學(xué)院顏世超教授與德國(guó)Max Planck結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)研究所的Sebastian Loth教授合作，在原子尺度自旋鏈中發(fā)現(xiàn)了基于自旋的負(fù)微分電阻效應(yīng)。11月21日，相關(guān)成果以“Dynamical Negative Differential Resistance in Antiferromagnetically Coupled Few-Atom Spin Chains”為題，在知名學(xué)術(shù)期刊《Physical Review Letters》上在線(xiàn)發(fā)表。該論文中，顏世超為共同第一作者及共同通訊作者，上科大為合作單位。

負(fù)微分電阻效應(yīng)是指電流隨電壓增加而減小的一種現(xiàn)象，具有負(fù)微分電阻特性的電子學(xué)器件在電子學(xué)設(shè)備中具有非常廣泛的應(yīng)用。1957年日本科學(xué)家Leo Esaki在隧穿二極管中首次發(fā)現(xiàn)了負(fù)微分電阻特性，并揭示了電子的隧穿效應(yīng)，因此獲得了1973年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

絕大多數(shù)的負(fù)微分電阻器件是通過(guò)調(diào)節(jié)電子的能級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，工作電壓一般都在1伏的量級(jí)。但是電子還具有自旋的自由度，開(kāi)發(fā)基于自旋的負(fù)微分電阻器件能夠有效降低器件的工作電壓和功耗。顏世超和合作者們利用低溫掃描隧道顯微鏡（STM）原子操縱技術(shù)atom-by-atom構(gòu)筑了由三個(gè)鐵原子組成的自旋鏈，繼而利用自旋極化-STM測(cè)量了這種自旋鏈的自旋輸運(yùn)特性。研究團(tuán)隊(duì)在這種三個(gè)鐵原子自旋鏈的自旋極化輸運(yùn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了很強(qiáng)的負(fù)微分電阻效應(yīng)，其工作電壓只有幾個(gè)毫伏。在此基礎(chǔ)上，他們測(cè)量了這種負(fù)微分電阻特性對(duì)自旋極化-STM針尖的高度、隧穿節(jié)電導(dǎo)和外加磁場(chǎng)的響應(yīng)。

通過(guò)進(jìn)一步的理論計(jì)算，研究者發(fā)現(xiàn)，這種負(fù)微分電阻特性是由于自旋鏈被激發(fā)到自旋激發(fā)態(tài)后，磁性隧穿結(jié)的磁阻突然增大引起的。他們的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算同時(shí)表明自旋極化-STM針尖與自旋鏈之間的磁性交換相互作用對(duì)負(fù)微分電阻特性有很強(qiáng)的影響，這也是全面理解這種自旋極化隧穿過(guò)程必須要考慮的一個(gè)重要因素。這種基于自旋的負(fù)微分電阻效應(yīng)將會(huì)有助于研制低功耗的具有負(fù)微分電阻特性的自旋電子學(xué)器件，此外，由于它的強(qiáng)度對(duì)磁性相互作用非常敏感，也可能用作原子尺度的磁性傳感器件。

論文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.217201

（A）工作原理示意圖；（B）自旋極化隧穿電流-電壓曲線(xiàn)和微分電導(dǎo)譜；

（C）自旋極化隧穿電流-電壓曲線(xiàn)隨隧穿結(jié)電導(dǎo)的變化