铁磁体-半导体量子阱杂化结构中长程p-d交换耦合的电压调控

纳米尺度下铁磁性的电压调控对于新型电子器件的发展极具吸引力。此处一个关键挑战是实现并组合低功耗、高操作速度、可靠可逆性以及与半导体技术的兼容性。基于铁磁与半导体构筑基元组装的杂化结构在这方面是有吸引力的候选者，因为此类系统汇集了孤立组分的特性：它们预期展现如铁磁体般的磁有序，并如半导体般可电学调谐。这里我们展示了由铁磁Co层与半导体CdTe量子阱构成的杂化结构中交换耦合的电学调控，二者间以薄的非磁性(Cd,Mg)Te势垒隔开。交换相互作用的有效磁场可达2.5特斯拉，并可通过在异质结构上施加1 V偏压来开启与关闭。该电场调控机制本质上不同于传统概念——后者通过空间重分布波函数以改变交换相互作用，需高强度场。这里我们转而处理由铁磁体发射的椭圆偏振声子（即声子ac Stark效应）所介导的新型交换机制之调控。该耦合的一个本质参数是量子阱中重空穴与轻空穴态的劈裂，其可由电场诱导的能带弯曲改变。从而该劈裂可相对于铁磁体中的磁振子-声子共振能量调谐，在平带条件下导致最大耦合。我们的结果证明了在相当温和的电场强度下杂化半导体纳米结构中电学调控交换耦合的可行性。