創(chuàng)新突破氧化物自旋電子新體系

杜月嬌

在地球這顆藍(lán)色星球的地殼深處，99%的物質(zhì)都是以氧化物的形式存在，所以氧化物在人類的日常生活中比比皆是：隨處可見的玻璃、海灘邊的石頭、被風(fēng)吹起的沙子等。而氧的獨(dú)特之處在于，它作為一種活性元素，很容易在與其他元素原子結(jié)合的過程中捕獲多個(gè)電子，從而在原子間建立非常強(qiáng)的局域電場(chǎng)。

這種超強(qiáng)電場(chǎng)，能夠帶來各種各樣的電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)，并最終使人類在氧化物界面上觀測(cè)到豐富的物理現(xiàn)象。特別是在量子力學(xué)創(chuàng)立之后，氧化物的神秘面紗被慢慢揭開，氧化物材料也迎來飛速發(fā)展的時(shí)期。

2004年，哈羅德·Y.黃（Harold?Y.?Hwang）在過渡金屬鈣鈦礦型氧化物鋁酸鑭/鈦酸鍶（LaAlO3/SrTiO3）材料界面研究上取得了突破性的進(jìn)展——界面二維電子氣被發(fā)現(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)，猶如煙花劃過漆黑的夜空，將過渡金屬鈣鈦礦型氧化物材料界面上的神奇物性展現(xiàn)在人類面前。這樣的發(fā)現(xiàn)也吸引著北京航空航天大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院副教授張慧，她期待著能闡明其中的原理，挖掘更多的新材料，為“后摩爾時(shí)代”超低功耗集成電路的關(guān)鍵技術(shù)提供助力。

驚人的新發(fā)現(xiàn)

2016年，博士一年級(jí)的張慧開始開展氧化物界面輸運(yùn)性質(zhì)相關(guān)的課題?！斑@個(gè)課題非常有意思，當(dāng)兩個(gè)絕緣的氧化物組合在一起的時(shí)候，它們的界面是導(dǎo)電的，甚至在低溫下可實(shí)現(xiàn)二維超導(dǎo)?！彼f這個(gè)新奇的現(xiàn)象被概括為“界面就是器件”。從2004年Harold?Y.?Hwang發(fā)現(xiàn)二維電子氣至今，這一領(lǐng)域經(jīng)過了十多年的發(fā)展，研究日趨成熟?！拔易x了許多文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)過去的研究主要集中在3d過渡金屬氧化物SrTiO3體系，如果將SrTiO3替換掉，會(huì)不會(huì)出現(xiàn)新的有意思的現(xiàn)象呢？”張慧抱著這樣的想法，開始了她的研究。

鉭酸鉀（KTaO3）具有很多與SrTiO3相似的物理特性，但5d氧化物KTaO3具有更大的自旋-軌道耦合，而自旋-軌道耦合是實(shí)現(xiàn)電對(duì)磁調(diào)控非常有潛力的一種手段，從這個(gè)角度出發(fā)KTaO3更具優(yōu)勢(shì)。張慧最終選擇了用5d過渡金屬氧化物KTaO3取代SrTiO3，結(jié)果是令人驚喜的?！拔覀兪紫劝l(fā)現(xiàn)了基于KTaO3界面優(yōu)異的導(dǎo)電性和強(qiáng)自旋-軌道耦合特性，更重要的是利用電場(chǎng)、磁場(chǎng)、光場(chǎng)多種物理場(chǎng)協(xié)同調(diào)控可實(shí)現(xiàn)5d氧化物界面自旋-軌道耦合的極大增強(qiáng)，揭示了關(guān)聯(lián)電子體系自旋態(tài)自主設(shè)計(jì)與高效調(diào)控的新機(jī)理?！边@也是張慧在博士研究期間最重要的發(fā)現(xiàn)，而她并沒有滿足，她清醒地思考著，這個(gè)新體系的超導(dǎo)電性與傳統(tǒng)LaAlO3/SrTiO3體系有什么不同呢？

張慧所在的課題組一直致力于新型5d氧化物KTaO3異質(zhì)界面二維電子氣的構(gòu)建及其物性調(diào)控，也是國際上最早開展KTaO3界面超導(dǎo)研究的小組之一。2021年2月，美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室劉長江（C.?J.?Liu）等人在《科學(xué)》（Science）雜志報(bào)道了氧化銪/鉭酸鉀（EuO/KTaO3）（111）界面的二維超導(dǎo)電性，發(fā)現(xiàn)新型5d氧化物KTaO3界面超導(dǎo)表現(xiàn)更加搶眼，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度比SrTiO3體系提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。結(jié)合前期實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的電場(chǎng)調(diào)控特性，張慧與浙江大學(xué)的合作者開展了KTaO3界面超導(dǎo)的電場(chǎng)調(diào)控實(shí)驗(yàn)。2021年5月14日，《電場(chǎng)控制LaAlO3/KTaO3（111）界面超導(dǎo)》在《科學(xué)》上線。論文的共同第一作者為張慧和浙江大學(xué)物理系博士生陳崢、劉源，共同通訊作者是浙江大學(xué)物理學(xué)系研究員謝燕武，中國科學(xué)院物理研究所研究員孫繼榮和周毅。“讓人為之振奮的是，可以像調(diào)控半導(dǎo)體器件那樣，用電壓連續(xù)調(diào)控LaAlO3/KTaO3界面的導(dǎo)電性質(zhì)：隨著門電壓的變化，它呈現(xiàn)了從超導(dǎo)到絕緣體的連續(xù)轉(zhuǎn)變?！睆埢坶_心地說道。

深挖一口井，創(chuàng)新無止境。在研究KTaO3體系的近7年時(shí)間里，張慧從中國科學(xué)院物理研究所初出茅廬的博士生成長為能獨(dú)當(dāng)一面的北京航空航天大學(xué)副教授，她完成了一場(chǎng)完美的蛻變。

絕佳的實(shí)踐課堂

2021年12月，張慧正式博士后出站，入職北京航空航天大學(xué)，擔(dān)任集成電路科學(xué)與工程學(xué)院副教授。成為教師之后的她，在科研之外，關(guān)注起了如何更好地培養(yǎng)學(xué)生。

“目前，我國集成電路領(lǐng)域人才缺口高達(dá)40萬人，高層次人才尤其匱乏，如何致力于培養(yǎng)集成電路行業(yè)緊缺的高質(zhì)量人才，將會(huì)是我未來很長一段時(shí)間的重點(diǎn)教學(xué)工作?！痹诮逃虒W(xué)方面，張慧擔(dān)任“芯片加工技術(shù)入門”課程的主講老師，這門課程是面向全校本科生開設(shè)的一門通識(shí)實(shí)驗(yàn)課程，課程特色是讓本科生走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，依托校級(jí)智能微納公共創(chuàng)新中心的百級(jí)超凈環(huán)境、先進(jìn)設(shè)備和微納加工技術(shù)，開展薄膜沉積、光刻、刻蝕等工藝實(shí)踐。在課程學(xué)習(xí)的過程中，同學(xué)們不僅能深度體驗(yàn)自旋傳感芯片從設(shè)計(jì)到制造的全過程，獲得微納米加工制造工藝設(shè)備操作經(jīng)驗(yàn)，而且還能獲得自己設(shè)計(jì)并制造的一枚帶有自己姓名的芯片。此課程的理念正是人人設(shè)計(jì)芯片，人人規(guī)劃工藝路線，人人實(shí)操制造芯片，致力于培養(yǎng)集成電路產(chǎn)業(yè)工程實(shí)踐型一流人才。

在人才培養(yǎng)方面，張慧積極帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研究生面向國家重大需求的自旋存儲(chǔ)芯片關(guān)鍵核心技術(shù)開展研究，營造創(chuàng)新研究學(xué)術(shù)氛圍，組織學(xué)生進(jìn)行開放式專題研討，使學(xué)生能夠掌握本研究領(lǐng)域國內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)，瞄準(zhǔn)國際學(xué)術(shù)前沿，不斷提升自身獨(dú)立科學(xué)研究的能力，并啟發(fā)學(xué)生將基礎(chǔ)理論研究應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)實(shí)踐，以實(shí)際行動(dòng)投身于集成電路“卡脖子”問題攻關(guān)。

“老師肩負(fù)著培養(yǎng)下一代的重要責(zé)任。我的目標(biāo)是成為有理想信念、有道德情操、有扎實(shí)學(xué)識(shí)、有仁愛之心的‘四有好老師?！睆埢蹐?jiān)定地說道。她深切感受到北京航空航天大學(xué)“空天報(bào)國”的紅色基因，在與學(xué)生指導(dǎo)交流時(shí)，主動(dòng)激發(fā)學(xué)生對(duì)集成電路領(lǐng)域的熱愛，引導(dǎo)學(xué)生將個(gè)人價(jià)值與國家重大需求相融合，培養(yǎng)新時(shí)代青年的責(zé)任心和使命感。

堅(jiān)持不懈地前行

北京航空航天大學(xué)出色的實(shí)驗(yàn)室條件讓張慧堅(jiān)定了對(duì)未來科學(xué)研究的信心，讓她沒有后顧之憂地繼續(xù)沿著既往的研究道路走下去，并把個(gè)人的科研方向與國家發(fā)展的戰(zhàn)略需求相結(jié)合。她沒有任何猶豫地加入了趙巍勝教授的團(tuán)隊(duì)，趙巍勝教授團(tuán)隊(duì)中所有人對(duì)待科學(xué)研究分工明確、一絲不茍和追求卓越的態(tài)度，讓她感受到了有組織的科研攻關(guān)，受益匪淺。

特別是趙巍勝教授聚焦產(chǎn)業(yè)發(fā)展和供應(yīng)鏈安全的“卡脖子”難題，致力于實(shí)現(xiàn)集成電路工藝裝備自主可控，打破歐美等國的長期壟斷，更是讓張慧感到格外難得?！摆w老師非常有情懷，大力支持我國領(lǐng)軍企業(yè)自主裝備供應(yīng)鏈建設(shè)，打造集成電路國產(chǎn)裝備驗(yàn)證平臺(tái)，所以我們實(shí)驗(yàn)室有很多國產(chǎn)首臺(tái)套設(shè)備，我也非常期待國產(chǎn)裝備在不久的將來能夠?qū)崿F(xiàn)新突破?！?/p>

面對(duì)未來，張慧深知自旋電子學(xué)是構(gòu)建“后摩爾時(shí)代”超低功耗集成電路的關(guān)鍵技術(shù)，特別是自旋軌道轉(zhuǎn)矩（SOT）的發(fā)現(xiàn)有望實(shí)現(xiàn)高速及高可靠性的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，具有廣泛應(yīng)用前景。她所研究的5d氧化物KTaO3界面二維電子氣能夠?qū)崿F(xiàn)高效的電荷-自旋轉(zhuǎn)換，這對(duì)于發(fā)展基于關(guān)聯(lián)電子氧化物界面的新型自旋電子學(xué)器件具有重要意義。她說：“研究永無止境，還有許多科學(xué)問題等待我去解答，所以我要更加堅(jiān)定地走下去，為中國自旋電子學(xué)的發(fā)展貢獻(xiàn)力所能及的力量?！?/p>

（責(zé)編：蘇寒山）