磁性二维电子气的磁电调控

Design, synthesis, and manipulation of high-temperature magnetic two-dimensional electron gases (2DEGs) are fundamentally important for realizing room-temperature magnetic semiconductors and field-effect spin-transistors, one of the key challenges of which is how to utilize external electric fields to manipulate the spin degrees of freedom of magnetic 2DEGs. In this project, we propose to study the magnetoelectric manipulation of magnetic 2DEGs. The complex oxide heterostructures consist of piezoelectric, ferromagnetic, and two-dimensional electron gas layers are synthesized by laser molecular beam epitaxy (laser-MBE) in a layer-by-layer way. The dependence of carrier density, carrier mobility, Curie temperatures, anomalous Hall resistances, spin Hall resistances of magnetic 2DEGs on structural design and growth conditions are studied to realize high-temperature magnetic 2DEGs. The microscopic mechanism of the external electric field control of spin degrees of freedom of magnetic 2DEGs is revealed. Our project provides a new path to design, synthesize, and control novel spin-related quantum states.

高温磁性二维电子气的设计、制备、与调控，对实现室温磁性半导体和自旋场效应晶体管具有重要的意义。其中的核心科学问题是，如何利用外电场调控磁性二维电子气的自旋自由度。本项目拟开展磁性二维电子气的磁电调控研究，利用激光分子束外延制备由压电、铁磁、二维电子气材料组成的复杂氧化物异质结，深入研究磁性二维电子气的载流子浓度、载流子迁移率、居里温度、反常霍尔电阻、自旋霍尔电阻与异质结结构设计和薄膜生长条件之间的关系，获得具有高居里温度的磁性二维电子气，揭示外电场对其自旋自由度的调控规律，掌握利用磁电耦合对磁性二维电子气自旋自由度精确调控的基本方法。本项目的实施有望发现界面诱导的自旋相关新物态及其调控新方法。

高温磁性二维电子气的设计、制备、与调控，对实现室温磁性半导体和自旋场效应晶体管具有重要的意义。其中的核心科学问题是，如何利用外场调控磁性二维电子气的自旋自由度。本项目开展了新型磁性二维电子气的制备与物性调控研究，研发了一系列高纯氧化物靶材，利用原子级精度物理气相沉积技术，在不同的衬底上制备了一系列复杂氧化物薄膜，发现了一种新的二维电子气材料，设计制备了新型磁性二维电子气材料，实现了铁电性、铁磁性与二维电子气共存，揭示了外电场对其自旋自由度的调控规律。本项目的实施为进一步发现界面诱导的自旋相关新物态及其调控新方法提供了研究基础。