磁性隧道結(jié)中的量子阱共振隧穿效應(yīng)由于其重要的科學(xué)與應(yīng)用價(jià)值而被廣泛關(guān)注和研究。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，多量子阱之間的共振隧穿已經(jīng)被證實(shí)和應(yīng)用，例如共振隧穿二極管、多量子阱的發(fā)光二極管等。然而，目前為止還沒有在金屬結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)多量子阱的共振隧穿。在金屬量子阱層中由于各種退相干因素使得電子很難保持相干性，從而使得在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)多金屬量子阱層之間的共振隧穿效應(yīng)非常具有挑戰(zhàn)性，這對磁性隧道結(jié)中的量子阱共振隧穿尤其如此。

　　中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室M02課題組研究員韓秀峰領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，2014年通過與法國讓拉莫研究所/洛林大學(xué)博士陸沅、教授Stéphane Mangin、Michel Hehn等所在的“納米磁性和自旋電子學(xué)組”合作，一同設(shè)計(jì)并制備了基于新型尖晶石結(jié)構(gòu)的MgAl₂O₄單晶勢壘的核心結(jié)構(gòu)為Fe(001)/MgAlO_x/Fe(d)/MgAlO_x/Fe的雙勢壘磁性隧道結(jié)。在中間Fe層厚度d分別為6.3nm, 7.5nm 和12.6nm的樣品中均觀測到了由量子阱態(tài)導(dǎo)致的電導(dǎo)隨偏壓的振蕩現(xiàn)象。在如此寬的量子阱中依然可以保持電子相位的相干性，是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)上制備出了高質(zhì)量的準(zhǔn)單晶Fe/MgAlO_x界面及中間量子阱Fe層薄膜。由于MgAlO_x和Fe晶格失配度很小，界面處應(yīng)力較小，產(chǎn)生的位錯(cuò)缺陷很少，所以在界面處的相位位移分布很小，從而增強(qiáng)了量子阱共振隧穿效應(yīng)。最終從低溫到室溫在較窄和很寬的量子阱中都可以觀測到電導(dǎo)隨偏壓的振蕩效應(yīng)(即QW-TMR量子阱共振隧穿磁電阻效應(yīng))。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和重要階段性進(jìn)展，已發(fā)表在《物理評論快報(bào)》雜志上[B. S. Tao, H. X. Yang,Y. L. Zuo, X. Devaux, G. Lengaigne, M. Hehn, D. Lacour, S. Andrieu, M. Chshiev, T. Hauet, F. Montaigne, S. Mangin, X. F. Han*, Y. Lu* , Phys. Rev. Lett. 115 (2015) 157204]。基于上述實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)繼續(xù)推動(dòng)了這一課題的合作，又進(jìn)一步開展了雙金屬量子阱層中共振隧穿效應(yīng)的相關(guān)研究。

　　首先，為了證明在三勢壘隧道結(jié)中可以形成雙量子阱態(tài)，研究人員制備出了核心結(jié)構(gòu)為Fe/MgAlO_x(3 MLs)/Fe(9 nm)/MgAlO_x(6 MLs)/Fe(9 nm)/MgAlO_x(3 MLs)/Fe的三勢壘隧道結(jié)。由于底部和頂部MgAlO_x勢壘比較薄，導(dǎo)致兩層金屬量子阱層的費(fèi)米面與相鄰的Fe電極費(fèi)米面釘扎在一起。因此，在正負(fù)偏壓下，只能探測某一層量子阱層中的量子阱態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在正負(fù)偏壓下，均觀測到了電導(dǎo)隨偏壓振蕩現(xiàn)象，說明在三勢壘隧道結(jié)中確實(shí)形成了雙量子阱態(tài)。進(jìn)而，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)雙量子阱中的共振隧穿，必須滿足三個(gè)條件：(1) 兩層量子阱層厚度相同以保證量子能級位置匹配；(2) 量子阱層的費(fèi)米能級不能與相鄰電極的費(fèi)米能級釘扎在一起；(3) 降落在中間勢壘層上的電壓必須很小，以保證兩層量子阱中的量子阱態(tài)能級位置對齊。基于上述考慮，制備了核心結(jié)構(gòu)為Fe/MgAlO_x(6 MLs)/Fe(7.7 nm)/MgAlO_x(3 MLs)/Fe(7.7 nm)/MgAlO_x(6 MLs)/Fe的三勢壘隧道結(jié)。在該樣品中，也在正負(fù)偏壓下均觀測到電導(dǎo)隨偏壓振蕩的現(xiàn)象，并且通過位相累積模型模擬得出振蕩峰位和數(shù)量與厚度為7.7 nm Fe 相符。這說明雖然電子穿過兩層Fe層，但是只表現(xiàn)出一層的量子阱態(tài)，并且共振峰的半高寬只有單量子阱層的一半，證明在實(shí)驗(yàn)上確實(shí)實(shí)現(xiàn)了通過了兩層量子阱層的共振隧穿。

　　該研究工作首次實(shí)現(xiàn)了磁性隧道結(jié)雙金屬量子阱層中的共振隧穿，為進(jìn)一步發(fā)展基于共振隧穿效應(yīng)的新型自旋電子學(xué)器件奠定了重要的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。相關(guān)研究工作發(fā)表在《納米快報(bào)》上 [B. S. Tao, C. H. Wan, P. Tang, J. F. Feng, H. X. Wei, X. Wang, S. Andrieu, H. X. Yang, M. Chshiev, X. Devaux, T. Hauet, F. Montaigne, S. Mangin, M. Hehn, D. Lacour, X. F. Han, Y. Lu. Coherent Resonant Tunneling through Double Metallic Quantum Well States. Nano Lett. 19 (2019) 3019–3026]。

　　該項(xiàng)研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、中法國際合作與交流基金項(xiàng)目和中科院有關(guān)基金的大力資助。

　　左圖：核心結(jié)構(gòu)為Fe/MgAlO_x(6 MLs)/Fe(7.7 nm)/MgAlO_x(3 MLs)/Fe(7.7 nm)/MgAlO_x(6 MLs)/Fe的三勢壘隧道結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖及高分辨電鏡照片；右圖：該樣品正負(fù)偏壓下電導(dǎo)隨偏壓的依賴關(guān)系，插圖為電子在負(fù)偏壓下的隧穿示意圖。