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调控材料的载流子类型和铁磁自旋耦合是信息技术领域的重要课题。最理想的调控效果是不改变材料化学组分和晶体结构的前提下，实现载流子在电子、空穴双极性之间自由转换，且同时与铁磁自旋有序共存。实现这一调控对于理解强关联电子体系中的基本物理问题大有裨益。近年来电子、空穴双极性功能调控引起了科研界的广泛兴趣，如在石墨烯、黑磷、有机材料中实现了双极导电性，但铁磁半导体中多是单一的电子或空穴类型掺杂，在同一材料中实现双极性铁磁性的调控十分困难。

哈工大理学院吕伟明研究员与南洋理工大学王骁博士及其合作者们，将离子液体场效应应用于外延LaMnO₃薄膜的载流子调控中。如图1所示，通过改变场效应门电压的正负，该团队实现了载流子在空穴和电子之间转换；通过调节门电压大小，大范围调制载流子浓度，在单一材料中实现了电子、空穴的双极性的电场调控。同时，研究人员发现，电子和空穴掺杂类型均具有巨磁电阻(CMR)效应，但相同浓度下空穴型比电子型表现出较小的电阻、较高的金属绝缘体转变温度，即空穴、电子对于薄膜中CMR效应的诱导具有不对称性（见图2）。理论模拟表明这一不对称性来源于电子和空穴对Mn-O面垂直方向交换作用截然不同的影响。这一工作对双极性自旋电子学器件、双通道场效应自旋滤波及场效应自旋阀都有重要借鉴作用。该工作近期发表于Nature Communications 9, 1897, 2018.

图1. 不同门电压和温度下的电子、空穴型LaMnO₃薄膜输运行为。

图2. 离子液体场效应调控的LaMnO₃薄膜的巨磁电阻效应。 

第一作者：郑立梅（哈尔滨工业大学）

通讯作者：吕伟明（哈尔滨工业大学）

                  王骁（南洋理工大学）

该工作被编辑选为Nature Comm本月highlight工作:

https://www.nature.com/collections/rcdhyvxytb/content/yu-gong

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