近日，南方科技大学量子科学与工程研究院院长、中国科学院院士俞大鹏团队林本川、王硕助理研究员与中科院半导体所薛春来课题组、北京大学廖志敏课题组、中科院半导体所魏钟鸣及中科院半导体所邓惠雄课题组在分子束外延生长的IV族半导体Ge1-xSnx上成功观测到了自发铁磁序的产生，在低温输运测量中清晰地观测到了电阻的回滞现象和磁化强度的磁滞回线。相关研究结果以“Spontaneous ferromagnetism and magnetoresistance hysteresis in Ge1-xSnx alloys”为题发表在Science Bulletin上。

以硅基半导体为代表的IV族半导体在现代工业中扮演着举足轻重的作用。然而，IV族半导体因其缺乏非常强的交换相互作用难以产生铁磁序，从而限制了蓬勃发展的自旋电子学器件在IV族半导体领域的应用。研究人员通过分子束外延生长IV族半导体Ge1-xSnx，引入原子排列的无序效应，从而打破反演对称性，在实验上成功观测到了自发铁磁序的产生。通过低温输运测量，清晰观测到了电阻的回滞现象。通过磁化特性测量，研究人员进一步观测到了自发铁磁序对应的磁滞回线，从而清晰地证明了IV族半导体Ge1-xSnx中自发铁磁序的存在。通过第一性原理地计算，研究人员指出此自发铁磁序源于临近布里渊区中心的范霍夫奇点引起的自旋极化的半金属态（half-metallicity）。该工作成功地在非磁性的IV族半导体中诱导出来自发铁磁序，对自旋电子学应用于IV族半导体进而和现行的硅基工业标准兼容具有重要意义。

该实验成果标志着国际量子研究院量子输运实验室顺利运转，已经具备承担极低温强磁场量子输运实验的条件，为后续各类极低温量子输运的工作开展奠定了基础。

在该研究成果中，南方科技大学为第一单位，林本川为第一作者，北京大学叶兴国博士生、中科院上海技术物理研究所王楠为共同第一作者，中科院半导体所薛春来为通讯作者，其他作者包括王硕、房景治、崔浩楠等。同时理论计算来自于中科院半导体所邓惠雄课题组的支持，实验开展以及文章成稿还有来自北大廖志敏课题组、中科院半导体所魏钟鸣课题组的支持。该成果得到了科技部、国家自然科学基金委、广东省重点研发计划、广东省重点实验室等的大力支持。

 

 

图：在非磁性IV族半导体Ge1-xSnx中观测到的自发铁磁序。（a）分子束外延生长的Ge1-xSnx横截面的透射电子显微镜图。（b）不同温度下的磁阻曲线，在低温下展现出清晰的回滞。（c）低温下磁化强度的磁滞回线，清晰地证明了自发铁磁序的产生。（d）磁阻的转角度实验，自发铁磁序依然存在。（e-f）理论计算出来的能带结构以及相应的态密度分布。