日前，我校物质学院颜世超教授与德国Max Planck结构与动力学研究所的Sebastian Loth教授合作，在原子尺度自旋链中发现了基于自旋的负微分电阻效应。11月21日，相关成果以“Dynamical Negative Differential Resistance in AntiferromagneticallyCoupled Few-Atom Spin Chains”为题，在知名学术期刊《Physical Review Letters》上在线发表。该论文中，颜世超为共同第一作者及共同通讯作者，上科大为合作单位。
负微分电阻效应是指电流随电压增加而减小的一种现象，具有负微分电阻特性的电子学器件在电子学设备中具有非常广泛的应用。1957年日本科学家Leo Esaki在隧穿二极管中首次发现了负微分电阻特性，并揭示了电子的隧穿效应，因此获得了1973年的诺贝尔物理学奖。
绝大多数的负微分电阻器件是通过调节电子的能级来实现的，工作电压一般都在1伏的量级。但是电子还具有自旋的自由度，开发基于自旋的负微分电阻器件能够有效降低器件的工作电压和功耗。颜世超和合作者们利用低温扫描隧道显微镜（STM）原子操纵技术atom-by-atom构筑了由三个铁原子组成的自旋链，继而利用自旋极化-STM测量了这种自旋链的自旋输运特性。研究团队在这种三个铁原子自旋链的自旋极化输运过程中发现了很强的负微分电阻效应，其工作电压只有几个毫伏。在此基础上，他们测量了这种负微分电阻特性对自旋极化-STM针尖的高度、隧穿节电导和外加磁场的响应。
通过进一步的理论计算，研究者发现，这种负微分电阻特性是由于自旋链被激发到自旋激发态后，磁性隧穿结的磁阻突然增大引起的。他们的实验和计算同时表明自旋极化-STM针尖与自旋链之间的磁性交换相互作用对负微分电阻特性有很强的影响，这也是全面理解这种自旋极化隧穿过程必须要考虑的一个重要因素。这种基于自旋的负微分电阻效应将会有助于研制低功耗的具有负微分电阻特性的自旋电子学器件，此外，由于它的强度对磁性相互作用非常敏感，也可能用作原子尺度的磁性传感器件。
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.217201
（A）工作原理示意图；（B）自旋极化隧穿电流-电压曲线和微分电导谱；
（C）自旋极化隧穿电流-电压曲线随隧穿结电导的变化
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