创新突破氧化物自旋电子新体系

杜月娇

在地球这颗蓝色星球的地壳深处，99%的物质都是以氧化物的形式存在，所以氧化物在人类的日常生活中比比皆是：随处可见的玻璃、海滩边的石头、被风吹起的沙子等。而氧的独特之处在于，它作为一种活性元素，很容易在与其他元素原子结合的过程中捕获多个电子，从而在原子间建立非常强的局域电场。

这种超强电场，能够带来各种各样的电子强关联效应，并最终使人类在氧化物界面上观测到丰富的物理现象。特别是在量子力学创立之后，氧化物的神秘面纱被慢慢揭开，氧化物材料也迎来飞速发展的时期。

2004年，哈罗德·Y.黄（Harold Y. Hwang）在过渡金属钙钛矿型氧化物铝酸镧/钛酸锶（LaAlO3/SrTiO3）材料界面研究上取得了突破性的进展——界面二维电子气被发现。这一发现，犹如烟花划过漆黑的夜空，将过渡金属钙钛矿型氧化物材料界面上的神奇物性展现在人类面前。这样的发现也吸引着北京航空航天大学集成电路科学与工程学院副教授张慧，她期待着能阐明其中的原理，挖掘更多的新材料，为“后摩尔时代”超低功耗集成电路的关键技术提供助力。

惊人的新发现

2016年，博士一年级的张慧开始开展氧化物界面输运性质相关的课题。“这个课题非常有意思，当两个绝缘的氧化物组合在一起的时候，它们的界面是导电的，甚至在低温下可实现二维超导。”她说这个新奇的现象被概括为“界面就是器件”。从2004年Harold Y. Hwang发现二维电子气至今，这一领域经过了十多年的发展，研究日趋成熟。“我读了许多文献，发现过去的研究主要集中在3d过渡金属氧化物SrTiO3体系，如果将SrTiO3替换掉，会不会出现新的有意思的现象呢？”张慧抱着这样的想法，开始了她的研究。

钽酸钾（KTaO3）具有很多与SrTiO3相似的物理特性，但5d氧化物KTaO3具有更大的自旋-轨道耦合，而自旋-轨道耦合是实现电对磁调控非常有潜力的一种手段，从这个角度出发KTaO3更具优势。张慧最终选择了用5d过渡金属氧化物KTaO3取代SrTiO3，结果是令人惊喜的。“我们首先发现了基于KTaO3界面优异的导电性和强自旋-轨道耦合特性，更重要的是利用电场、磁场、光场多种物理场协同调控可实现5d氧化物界面自旋-轨道耦合的极大增强，揭示了关联电子体系自旋态自主设计与高效调控的新机理。”这也是张慧在博士研究期间最重要的发现，而她并没有满足，她清醒地思考着，这个新体系的超导电性与传统LaAlO3/SrTiO3体系有什么不同呢？

张慧所在的课题组一直致力于新型5d氧化物KTaO3异质界面二维电子气的构建及其物性调控，也是国际上最早开展KTaO3界面超导研究的小组之一。2021年2月，美国阿贡国家实验室刘长江（C. J. Liu）等人在《科学》（Science）杂志报道了氧化铕/钽酸钾（EuO/KTaO3）（111）界面的二维超导电性，发现新型5d氧化物KTaO3界面超导表现更加抢眼，其超导转变温度比SrTiO3体系提升了一个数量级。结合前期实验中发现的电场调控特性，张慧与浙江大学的合作者开展了KTaO3界面超导的电场调控实验。2021年5月14日，《电场控制LaAlO3/KTaO3（111）界面超导》在《科学》上线。论文的共同第一作者为张慧和浙江大学物理系博士生陈峥、刘源，共同通讯作者是浙江大学物理学系研究员谢燕武，中国科学院物理研究所研究员孙继荣和周毅。“让人为之振奋的是，可以像调控半导体器件那样，用电压连续调控LaAlO3/KTaO3界面的导电性质：随着门电压的变化，它呈现了从超导到绝缘体的连续转变。”张慧开心地说道。

深挖一口井，创新无止境。在研究KTaO3体系的近7年时间里，张慧从中国科学院物理研究所初出茅庐的博士生成长为能独当一面的北京航空航天大学副教授，她完成了一场完美的蜕变。

绝佳的实践课堂

2021年12月，张慧正式博士后出站，入职北京航空航天大学，担任集成电路科学与工程学院副教授。成为教师之后的她，在科研之外，关注起了如何更好地培养学生。

“目前，我国集成电路领域人才缺口高达40万人，高层次人才尤其匮乏，如何致力于培养集成电路行业紧缺的高质量人才，将会是我未来很长一段时间的重点教学工作。”在教育教学方面，张慧担任“芯片加工技术入门”课程的主讲老师，这门课程是面向全校本科生开设的一门通识实验课程，课程特色是让本科生走进实验室，依托校级智能微纳公共创新中心的百级超净环境、先进设备和微纳加工技术，开展薄膜沉积、光刻、刻蚀等工艺实践。在课程学习的过程中，同学们不仅能深度体验自旋传感芯片从设计到制造的全过程，获得微纳米加工制造工艺设备操作经验，而且还能获得自己设计并制造的一枚带有自己姓名的芯片。此课程的理念正是人人设计芯片，人人规划工艺路线，人人实操制造芯片，致力于培养集成电路产业工程实践型一流人才。

在人才培养方面，张慧积极带领团队研究生面向国家重大需求的自旋存儲芯片关键核心技术开展研究，营造创新研究学术氛围，组织学生进行开放式专题研讨，使学生能够掌握本研究领域国内外发展动态，瞄准国际学术前沿，不断提升自身独立科学研究的能力，并启发学生将基础理论研究应用于产业实践，以实际行动投身于集成电路“卡脖子”问题攻关。

“老师肩负着培养下一代的重要责任。我的目标是成为有理想信念、有道德情操、有扎实学识、有仁爱之心的‘四有好老师。”张慧坚定地说道。她深切感受到北京航空航天大学“空天报国”的红色基因，在与学生指导交流时，主动激发学生对集成电路领域的热爱，引导学生将个人价值与国家重大需求相融合，培养新时代青年的责任心和使命感。

坚持不懈地前行

北京航空航天大学出色的实验室条件让张慧坚定了对未来科学研究的信心，让她没有后顾之忧地继续沿着既往的研究道路走下去，并把个人的科研方向与国家发展的战略需求相结合。她没有任何犹豫地加入了赵巍胜教授的团队，赵巍胜教授团队中所有人对待科学研究分工明确、一丝不苟和追求卓越的态度，让她感受到了有组织的科研攻关，受益匪浅。

特别是赵巍胜教授聚焦产业发展和供应链安全的“卡脖子”难题，致力于实现集成电路工艺装备自主可控，打破欧美等国的长期垄断，更是让张慧感到格外难得。“赵老师非常有情怀，大力支持我国领军企业自主装备供应链建设，打造集成电路国产装备验证平台，所以我们实验室有很多国产首台套设备，我也非常期待国产装备在不久的将来能够实现新突破。”

面对未来，张慧深知自旋电子学是构建“后摩尔时代”超低功耗集成电路的关键技术，特别是自旋轨道转矩（SOT）的发现有望实现高速及高可靠性的数据存储，具有广泛应用前景。她所研究的5d氧化物KTaO3界面二维电子气能够实现高效的电荷-自旋转换，这对于发展基于关联电子氧化物界面的新型自旋电子学器件具有重要意义。她说：“研究永无止境，还有许多科学问题等待我去解答，所以我要更加坚定地走下去，为中国自旋电子学的发展贡献力所能及的力量。”

（责编：苏寒山）