进展 | 极性半金属家族增添新成员

　　极性半金属(Half-metal)是指只有一种自旋方向的电子参与导电的材料。作为铁磁金属或磁性半导体的一种特例，极性半金属的自旋极化率为100%，是一种重要的自旋电子学材料。它可以用来向半导体实现高效率的自旋注入，有助于实现自旋场效应晶体管器件。极性半金属还可用于制备磁性隧道结，并有潜力实现比现有器件更高的巨磁电阻。极性半金属与超导体之间的近邻效应还有可能产生非常规的超导态。因此，寻找性能优异的新型极性半金属不仅对基础研究有推动作用，还有可能产生新型的信息读取、存贮和处理技术。尽管理论已经预言了不少极性半金属的候选材料，但通过电学实验获得验证的只有CrO₂, EuO, (Ga,Mn)As等屈指可数的几种材料。在上述材料中，参与导电的电子具有d或p轨道的特征。迄今为止，尚没有s能带的极性半金属被实验确认。
　　作为一类磁性绝缘体或磁性半导体，尖晶石结构的ACr₂X₄家族 (A=Cd, Hg, Zn, X=Se, S等)已有五十年的研究历史。三价的Cr离子可通过超交换作用产生铁磁序，A位原子的s轨道通过s-d交换作用发生较大的自旋劈裂，因此n型的ACr₂X₄材料有可能是s型的极性半金属材料。2011年，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)的方忠-戴希研究组通过第一性原理计算表明n型HgCr₂Se₄是一种s型极性半金属，他们还预言理想化学配比的HgCr₂Se₄是磁性外尔半金属(Weyl semimetal)的一种候选材料，其量子阱结构有可能产生更高温度的量子反常霍尔效应[G. Xu et al., Phys. Rev. Lett. 107, 186806 (2011)]。
　　最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）纳米物理与器件重点实验室的李永庆研究组(N08组)的博士生关童与极端条件物理重点实验室EX1组的石友国副研究员和超导国家重点实验室SC8组的任聪副研究员等合作，详尽地研究了n型HgCr₂Se₄单晶样品的磁性和电子输运性质，并利用安德列夫(Andreev)反射方法测量了电子自旋极化率。实验发现n-HgCr₂Se₄处于铁磁基态时，每个Cr离子的饱和磁矩为3个波尔磁子，与理论计算相符。在居里温度(~105.5 K)附近，金属-绝缘体相变导致高达8个数量级的电阻变化，并且在相变区有接近5个数量级的庞磁电阻。他们还制备了大量的Pb/HgCr₂Se₄平面结器件，通过测量发现其零偏压微分电导在很大程度上被抑制。通过用修正的Blonder-Tinkham-Klapwijk (BTK)理论对微分电导谱进行拟合，得到了高达97%的电子自旋极化率，从而为n-HgCr₂Se₄的极性半金属性提供了有力的实验证据。他们还观察到Pb/HgCr₂Se₄结的零偏压电导具有明显偏离BTK理论预期的行为，并与Löfwander等发提出的自旋活跃散射模型相符。这些结果对探索新型自旋电子学器件和进一步研究磁性金属和超导体的相互作用也许有重要意义。
　　直接承担本项实验工作的博士研究生还有物理所N08组的林朝镜和EX1组的杨崇立。主要合作者有佛罗里达州立大学的熊鹏教授、山东大学的颜世申教授以及物理所的方忠研究员、戴希研究员和翁红明副研究员。本工作受到了国家自然科学基金、科技部国家重大基础研究(973)计划和中国科学院先导B类专项等项目的支持。上述结果发表于近期的Physical Review Letters 115, 087002 (2015).

图解：(a)上图为测量n-HgCr₂Se₄电子自旋极化率的Pb/HgCr₂Se₄平面安德列夫结的器件示意图。(b)一个典型的Pb/HgCr₂Se₄器件的微分电导谱。(c)另一个类似器件在归一化后的微分电导谱，归一化步骤使用了μ₀H=0.2 T的磁场来破坏Pb的超导态。有关使用BTK理论拟合获得n-HgCr₂Se₄电子极化率的细节，请见T. Guan et al., Phys. Rev. Lett. 115, 087002 (2015).