Magnetic ground state, evolution, and critical dynamics in the new generation diluted ferromagnetic semiconductors Li(Zn,Mn)As: a μSR perspective

文章导读

稀磁半导体（Diluted Magnetic semiconductor, DMS）被视为“后摩尔时代”自旋电子学器件的理想候选材料。然而，铁磁性的起源究竟是均匀长程磁有序还是非均匀相分离，至今存在针锋相对的实验结果和观点[Phys. Rev. Lett. 101, 027202 (2008); Nature Materials 9, 299–303 (2010)]。本研究基于新一代DMS材料体系Li(Zn,Mn)As的缪子自旋谱学实验结果，首次将两种观点统一在同一个物理框架下进行系统比较研究。

图 1. 基于缪子自旋谱学技术，在新一代稀磁半导体Li (Zn,Mn) As上，将均匀与非均匀铁磁体统一在同一个物理框架下，并对二者进行直接比较。

关键词：稀磁半导体；Li (Zn,Mn) As；μSR；束缚磁极化子

Citations: Guoqiang Zhao, Zheng Deng, Baosen Min, Timothy Ziman, Gang Su, Bo Gu, Changqing Jin, Yasutomo J Uemura. Magnetic ground state, evolution, and critical dynamics in the new generation diluted ferromagnetic semiconductors Li(Zn,Mn)As: a μSR perspective[J]. Materials Futures, 2026, 5(4): 045201. DOI: 10.1088/2752-5724/ae84ef

本文亮点

• 在科学上: 系统阐明了Li (Zn,Mn) As体系中均匀与非均匀铁磁体的磁基态、相演化及临界动力学，并在一物理框架下对二者进行了直接比较。该研究验证了束缚磁极化子这一唯象理论模型的适用性及其局限性。

• 在技术上: 首次实现了DMS中wTF-MuSR全谱的定量拟合分析，为后续研究提供了重要参考。

研究背景

DMS融合半导体输运与磁性自旋调控，是实现半导体自旋电子学的核心材料载体。经典 (Ga,Mn) As 作为标杆体系，依靠 Mn²⁺/Ga³⁺异价掺杂同时引入空穴载流子与磁性自旋，存在本征溶解度限制，仅能通过低温分子束外延制备亚稳态薄膜，极易氧化，很难开展中子散射等体相微观测量；且自旋、载流子同步掺杂无法独立调控，长期难以剥离二者各自对铁磁有序的贡献，铁磁性起源持续存在学术争议。

2011年，中国科学院物理研究所靳常青研究员团队成功合成了块材、空气稳定的新一代DMS材料体系Li(Zn,Mn)As。该体系与(Ga,Mn)As同属立方F-43m结构，且实现了自旋（Mn²⁺替代Zn²⁺）与电荷（过量或欠掺杂Li）的独立调控为研究DMS铁磁性的微观机制提供了理想平台。但其磁基态的性质、磁相演化、顺磁-铁磁转变的临界动力学特征，以及这些特征与理论模型（尤其是bound magnetic polarons theory (BMP), 束缚磁极化子模型）的关系，仍有待系统阐明。

本文要点

• 磁基态的LF-μSR去耦合判据：纯静态有序与静态-动态共存

图 2. 多晶Li(Zn,Mn)As体系纵场缪子自旋不对称度谱图（LF-μSR）。（a）至（d）分别为 Li_1.1ZnAs、Li_1.1(Zn_0.97Mn_0.03)As、Li_1.1(Zn_0.95Mn_0.05)As 和 Li_1.05(Zn_0.9Mn_0.1)As 在1.8K的LF-µSR 数据。（e）和（f）分别为10K和50K时，Li_1.1(Zn_0.97Mn_0.03)As的 LF-µSR 数据。

磁基态的性质通过纵场缪子自旋不对称度谱图（LF-μSR）去耦合测量进行研究。在纯静态随机场中，施加比内场分布更强的纵场可使缪子自旋与局域场去耦合，恢复不对称度；而当存在动态涨落时，弛豫不受外加场影响。在基温（T = 1.8 K）下，Li_1.1(Zn_0.95Mn_0.05)As表现出完全去耦合（图2c），确认了纯静态磁基态; Li_1.1(Zn_0.97Mn_0.03)As和Li_1.05(Zn_0.9Mn_0.1)As仅表现出部分去耦合(图2b和图2d)，表明静态有序体积与动态自旋涨落共存。LF-μS为分类稀磁半导体体系的磁基态提供了一个清晰的实验判据。

• 磁演化的定量μSR图谱与均匀有序的~5% Mn阈值的确定

图 3. 多晶Li(Zn,Mn)As体系弱横场（wTF）与零场（ZF）的μSR谱图。图（a-b）对应Li_1.1ZnAs，图（c-d）对应 Li_1.1(Zn_0.97Mn_0.03)As, 图（e-f）Li_1.1(Zn_0.95Mn_0.05)As, 图（g-h）对应Li_1.05(Zn_0.9Mn_0.1)As。图（i）和（j）分别对比了所有四种成分在基温 1.8 K 时的 wTF-μSR 和 ZF-μSR 谱。

如图3所示，研究团队对Li_1+y (Zn_1-xMn_x)As四个组分（x = 0, y = 0.1; x = 0.03, y = 0.1; x = 0.05, y = 0.1; x = 0.1, y = 0.05）开展了弱横场(wTF)和零场（ZF）的μSR测量。变温 µSR 定量提取的静态磁有序含量（f_M）清晰揭示磁有序随 Mn 掺杂的渐变演化规律，在定量10%的Li的掺杂下：无 Mn 掺杂的样品中，基态的f_M为零（图4a的紫色图标）；3% 的Mn掺杂的样品中，基态的f_M为55.7%（图4a的棕褐色图标），晶格内铁磁畴与顺磁基体共存，呈现明显相分离；5% 的Mn掺杂的样品中，基态的f_M为100%（图4a的绿色图标），现全样品均匀长程铁磁有序，同时，静态缪子自旋弛豫率（a_s）同步大幅提升，证明局域有序磁矩密度显著增强。

a_s-T_C (局里温度，图4b) 的标度关系，适用于多个共享立方晶体结构的DMS家族，包括(Ga,Mn)As、Li(Zn,Mn)P和Li(Zn,Cu,Mn)As。基温下f_M ≈ 100%的样品遵循共同的趋势，而f_M降低的样品(Mn=3%的样品)则偏离该趋势。这一标度关系为评估稀磁半导体的磁均匀性提供了一个定量参考工具，可用于指导寻找具有更好磁均匀性的新材料。

图 4. 多晶Li(Zn,Mn)As体系的μSR结果总结。(a) 静态有序体积分数(f_M)和静态缪子自旋弛豫率(a_s)随温度的变化关系。弛豫率a_s与局域内场分布宽度成正比，其大小与有序磁矩的尺寸和浓度相关。垂直虚线表示各铁磁样品的居里温度(T_C)。(b) 低温下a_s与T_C在同结构 (F-43m)稀磁半导体中的相关性。在基温下表现出完全有序(f_M ≈ 100%)的样品均符合统一的标度趋势，表明其铁磁性具有共同的物理机制。(c)从ZF和wTF-µSR提取的慢衰减参数的温度依赖性：拉伸指数弛豫速率（λ_ZF，λ_wTF）及其对应的拉伸指数（β_ZF，β_wTF）在T_C附近出现明显的异常（用彩色箭头标出），表明在相变时，µSR谱图的定性变化。

• 居里相变无临界自旋慢化，异于传统二级磁相变认知

常规二级磁相变（自旋玻璃、三维海森堡模型的均匀铁磁体）在T_C附近会伴随强自旋涨落，出现1/T₁的峰值。如图5所示，本工作通过 LF-µSR 定量对比发现：无论是 3% Mn 相分离样品还是 5% Mn 均匀样品，在T_C附近，1/T₁仅微弱抬升，峰值与高温基线比值约为1.6倍，远低于自旋玻璃 Na (Zn,Mn) Sb 的10倍变化。该行为存在两种可能的合理解释：一是体系强晶格无序、Mn 离子随机分布带来自旋阻挫，抹平了相变临界点的自旋关联发散；二是该顺磁 - 铁磁转变更接近一级相变，与束缚磁极化子模型（BMP）渗流渐变图像存在差异。现有海森堡模型、BMP理论均无法完整复现该反常行为，表明掺杂无序、载流子库仑势、Mn 局域浓度涨落的耦合作用是调控临界动力学的关键，为稀磁半导体相变理论修正提供新的实验约束条件。

图 5. LF-µSR谱图、分析及临界动力学研究。（a）在施加200 G低场条件下，多晶Li_1.1(Zn_0.97Mn_0.03)As样品的LF-µSR谱图随温度的变化。（b）从（a）中LF-µSR时间谱图提取出的1/T₁及其对应的温度依赖不对称性A0(T)。（c）从LF-µSR时间谱图中提取的1/T₁与归一化临界温度（铁磁态，T_C；自旋玻璃态，T_𝑓）的关系。

总结与未来展望

本工作依托 µSR 局域微观探测技术，系统完整阐明块状、空气稳定、电荷于自旋掺杂机制分离的新一代稀磁半导体 Li (Zn,Mn) As 的磁基态、掺杂演化与临界相变三大核心科学问题：确定 5% 左右的的Mn掺杂为均匀长程铁磁有序渗流阈值；区分均匀纯静态、相分离静态/动态共存两类磁基态；证T_C附近无传统临界自旋慢化行为。

后续仍有多项关键工作待推进：一是精细梯度 Mn、Li 共掺杂样品 µSR 测试，精准标定渗流阈值区间、厘清载流子浓度对磁有序的调制规律；二是结合热容、高分辨中子衍射、磁滞回线测试，判定相变属于一级或二级；三是拓展至 BaZn₂As₂基近室温 DMS 单晶体系，对比高低T_C材料磁演化共性与差异；四是设计电场、压力原位 µSR 测试，实现磁有序动态调控，面向自旋异质结器件开发提供微观机理支撑。

作者介绍

本文赵国强博士为第一作者，中国科学院物理研究所靳常青研究员、中国科学院大学顾波教授、美国哥伦比亚大学Y.J.Uemura教授、赵国强博士为共同通讯。

研究得到了中国科学院物理研究所邓正副研究员、闵保森博士，法国劳埃-朗格万研究所Timothy Ziman教授，以及中国科学院理论物理研究所苏刚教授的合作支持。

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