Ujednolicenie Twistronics i Spintronics dla zaawansowanej elektroniki

Naukowcy z Uniwersytetu Purdue obracają podwójne dwuwarstwy antyferromagnetyków, aby zademonstrować przestrajalny magnetyzm mory.

Twistronics nie jest nowym ruchem tanecznym, sprzętem do ćwiczeń czy modą muzyczną. Nie, jest dużo fajniej niż cokolwiek innego. To ekscytujące nowe osiągnięcie w fizyce kwantowej i materiałoznawstwie, w którym materiały van der Waalsa są ułożone jedna na drugiej w warstwach, jak stosy papieru, które można łatwo skręcać i obracać, pozostając płaskie, a fizycy kwantowi wykorzystali te stosy odkryć interesujące zjawiska kwantowe.

Dodając koncepcję spinu kwantowego ze skręconymi dwuwarstwami antymagnetyków, możliwe jest uzyskanie przestrajalnego magnetyzmu mory. Sugeruje to nową klasę platform materiałowych dla kolejnego kroku w elektronice kręgosłupa: spintroniki. Ta nowa nauka może doprowadzić do powstania obiecujących urządzeń do pamięci i logiki spinowej, otwierając świat fizyki na zupełnie nową ścieżkę zastosowań spintroniki.

Skręcając magnesy van der Waalsa, mogą pojawić się nieliniowe stany magnetyczne z dużą przestrajalnością elektryczną. Źródło: Ryan Allen, Second Bay Studios

Zespół badaczy zajmujących się fizyką kwantową i materiałami na Uniwersytecie Purdue wprowadził technikę skręcania, aby kontrolować stopień swobody obrotu za pomocą CrI.₃, materiał van der Waalsa (vdW) połączony z antyferromagnetyczną międzywarstwą, jako jej mediator. Opublikowali swoje odkrycia zatytułowane „Elektrycznie przestrajalny magnetyzm mory w skręconych podwójnych dwuwarstwach trójjodku chromu” w czasopiśmie Elektronika natury.

„W tym badaniu wyprodukowaliśmy skręconą podwójną warstwę CrI₃„To znaczy dwuwarstwa plus dwuwarstwa ze skręconym kątem pomiędzy” – mówi dr Guangwei Cheng, współautor publikacji. „Donosimy o magnetyzmie mory z bogatymi fazami magnetycznymi i doskonałą możliwością przestrajania metodą elektryczną”.

Struktura supermoiré skręconej podwójnej warstwy (tDB) CrI3 i jej zachowania magnetyczne badane za pomocą magnetooptycznego efektu Kerra (MOKE). Sekcja A powyżej przedstawia schematyczny diagram falistej supersieci wykonanej przez skręcenie międzywarstw. Panel dolny: można pokazać nieliniową obudowę magnetyczną. Sekcja B powyżej pokazuje, że wyniki MOKE pokazują współistnienie porządków ferromagnetycznych (AFM) i ferromagnetycznych (FM) w „magnesie mory” tDB CrI3 w porównaniu z porządkami AFM w naturalnej antyferromagnetycznej dwuwarstwie CrI3. Źródło: Ilustracja autorstwa Guanghui Chenga i Yong P. Chena

„Ułożyliśmy antyferromagnes, skręciliśmy go i otrzymaliśmy ferromagnetyk” – mówi Chen. „Jest to także uderzający przykład niedawno powstającego obszaru„ skręconego ”magnetyzmu lub mory w skręconych materiałach 2D, gdzie kąt skręcenia między dwiema warstwami zapewnia potężne pokrętło dostrajania i radykalnie zmienia właściwości materiału”.

„Do wytwarzania skręconej podwójnej warstwy CrI₃odrywamy jedną część dwuwarstwy CrI₃„Obróć go i ułóż na drugiej części, stosując tak zwaną technikę rozdzierania i układania” – wyjaśnia Cheng. „Poprzez pomiar magnetooptycznego efektu Kerra (MOKE), czułego narzędzia do badania zachowania magnetycznego aż do kilku warstw atomowych, zaobserwowaliśmy współistnienie porządków ferromagnetycznych i antyferromagnetycznych, charakterystyczną cechę magnetyzmu mory, a także zademonstrowaliśmy napięcie. przełączanie magnetyczne. Taki magnetyzm falowy jest nową formą magnetyzmu charakteryzującą się przestrzennie zmieniającymi się fazami ferromagnetycznymi i antyferromagnetycznymi, okresowo naprzemiennymi zgodnie z supersiecią mory.

Do tej pory twisttronics skupiał się głównie na modyfikowaniu właściwości elektronicznych, takich jak skręcona dwuwarstwa Grafen. Zespół Purdue chciał zapewnić pewną swobodę w rotacji i zdecydował się zastosować CrI₃, materiał vdW połączony z warstwą antymagnetyczną. Skręcenie ułożonych na sobie antymagnesów jest możliwe dzięki wytworzeniu próbek o różnych kątach skręcenia. Innymi słowy, po wyprodukowaniu kąt skręcenia każdego urządzenia staje się stały i następnie przeprowadzane są pomiary MOKE.

Obliczenia teoretyczne dla tego eksperymentu zostały przeprowadzone przez Upadhyaya i jego zespół. Stanowiło to mocne potwierdzenie obserwacji poczynionych przez zespół Chena.

„Nasze obliczenia teoretyczne ujawniły diagram fazowy bogaty w nieliniowe fazy TA-1DW, TA-2DW, TS-2DW, TS-4DW itp.” – mówi Upadhyaya.

Badanie to jest częścią trwających badań prowadzonych przez zespół Chena. Niniejsza praca jest następstwem kilku niedawnych odpowiednich publikacji zespołu związanych z nową fizyką i właściwościami „magnesów 2D”, takich jak „Pojawienie się przestrajalnego ferromagnetyzmu międzyfazowego pola elektrycznego w heterostrukturach magnetycznych 2D”, który ukazał się niedawno w Komunikacja przyrodnicza. Ten kierunek badań ma ekscytujący potencjał w dziedzinie spintroniki i spintroniki.

„Zidentyfikowane magnesy z tektury falistej wskazują na nową klasę platform materiałowych dla spintroniki i elektroniki magnetycznej” – mówi Chen. „Zaobserwowane przełączanie magnetyczne wspomagane napięciem i efekt elektromagnetyczny mogą prowadzić do powstania obiecujących urządzeń z pamięcią i logiką spinową. Jako nowy stopień swobody, to rozwiązanie można zastosować do szerokiej gamy dwuwarstw homo/hetero magnesów vdW, otwierając możliwość szukać nowych zastosowań w fizyce i spintronice.”

Odniesienie: „Elektrycznie przestrajalny magnetyzm mory w skręconych podwójnych warstwach trójjodku chromu” autorstwa Guanghui Cheng, Muhammad Mushfiqur Rahman, Andres Llacsahuanga Allcca, Avinash Rustagi, Xingtao Liu, Lina Liu, Lei Fu, Yanglin Zhu, Zhiqiang Mao, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi . , Prami Upadhyaya i Yong Pei Chen, 19 czerwca 2023 r., Elektronika natury.
doi: 10.1038/s41928-023-00978-0

W skład zespołu, głównie z Purdue, wchodzi dwóch głównych autorów, którzy w równym stopniu wnoszą swój wkład: dr Guangwei Cheng i Muhammad Mushfiqur Rahman. Cheng był pracownikiem naukowym ze stopniem doktora w grupie dr Yong-Pei Chena na Uniwersytecie Purdue, a obecnie jest adiunktem w Instytucie Zaawansowanych Badań Materiałowych (AIMR, gdzie Chen jest także głównym badaczem) na Uniwersytecie Tohoku. Muhammad Mushfiqur Rahman jest doktorantem w grupie dr Prami Upadhyaya. Chen i Upadhyaya są autorami tej publikacji i są profesorami na Uniwersytecie Purdue. Chen jest profesorem fizyki i astronomii Carla Larka Horowitza, profesorem inżynierii elektrycznej i komputerowej oraz dyrektorem Instytutu Nauki i Inżynierii Kwantowej Purdue. Upadhyaya jest adiunktem w dziedzinie inżynierii elektrycznej i komputerowej. Inni członkowie zespołu Purdue to Andres Laxahuanga Alka (doktorant), dr Lina Liu (postdoc), dr Li Fu (postdoc) z grupy Chena, dr Avinash Rustagi (postdoc) z grupy Upadhyaya i dr Xingtao Leo. (były asystent naukowy w Burke Center for Nanotechnology).

Prace te są częściowo wspierane przez Biuro Naukowe Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) za pośrednictwem Quantum Science Center (QSC, National Quantum Information Science Research Center) i programu DoD Multidyscyplinarnych Uniwersyteckich Inicjatyw Badawczych (MURI) (FA9550-) 20- 1-0322). Cheng i Chen otrzymali także częściowe wsparcie od WPI-AIMR, JSPS KAKENHI Basic Science A (18H03858), New Science (18H04473 i 20H04623) oraz programu FRiD Uniwersytetu Tohoku na wczesnych etapach badań.

Upadhyaya dziękuje także za wsparcie ze strony Narodowej Fundacji Nauki (NSF) (ECCS-1810494). masowe cree₃ Kryształy zostały dostarczone przez grupę Zhiqiang Mao z Pennsylvania State University przy wsparciu Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DE-SC0019068). Masowe kryształy hBN dostarczają Kenji Watanabe i Takashi Taniguchi z Narodowego Instytutu Nauki o Materiałach w Japonii, przy wsparciu JSPS KAKENHI (numery grantów 20H00354, 21H05233 i 23H02052) oraz World Premier Center for International Research Initiative (WPI), MEXT , Japonia.