Spojenie twistroniky a spintroniky pre pokročilú elektroniku.

Purdue kvantoví výskumníci ohýbajú dvojitú dvojvrstvu antiferomagnetu, aby vykazovali laditeľný moaré magnetizmus.

Twitronics nie je nový tanečný pohyb, cvičebné náčinie ani nový hudobný trend. Nie, je chladnejší ako ktorýkoľvek z nich. Toto je vzrušujúci nový vývoj v kvantovej fyzike a materiálovej vede, kde sú van der Waalsove materiály umiestnené na seba vo vrstvách, ako sú listy papiera v lúči, ktorý sa dá ľahko ohýbať a otáčať, pričom zostáva plochý, a kvantoví fyzici ich použili. hromady na objavovanie zaujímavých kvantových javov.

Kombináciou konceptu kvantového spinu so skrútenými dvojitými dvojvrstvami antiferomagnetov je možné dosiahnuť laditeľný moaré magnetizmus. To naznačuje novú triedu materiálovej platformy pre ďalší krok v twisttronike: spintronika. Táto nová veda by mohla viesť k sľubným pamäťovým a spinovým logickým zariadeniam, čím by sa svet fyziky otvoril úplne novej ceste so spintronickými aplikáciami.

Otáčaním van der Waalsovho magnetu sa môžu objaviť nekolineárne magnetické stavy s významnou elektrickou laditeľnosťou. Poďakovanie: Ryan Allen, Second Bay Studios

Tím výskumníkov v oblasti kvantovej fyziky a materiálov z Purdue University zaviedol zvraty na ovládanie stupňov voľnosti otáčania pomocou CRI.₃, medzivrstvový antiferomagneticky spojený van der Waalsov (vdW) materiál, ako ich médium. Publikovali svoje zistenia, „Elektricky laditeľný moaré magnetizmus v skrútených dvojitých dvojvrstvách jodidu chrómového“. Prírodná elektronika,

„V tejto štúdii sme vyrobili skrútené dvojité dvojvrstvové CRI₃, teda dvojvrstva plus dvojvrstva s uhlom natočenia medzi nimi,“ hovorí Dr. Guanghui Cheng, spoluautor publikácie. „Hlásime moaré magnetizmus s obohatenými magnetickými fázami a významnou laditeľnosťou elektrickou metódou.“

Štruktúra Moiré supermriežky skrútenej dvojitej dvojvrstvy (tDB) CrI3 a jej magnetické správanie sa skúmali pomocou magneto-optického Kerr-efektu (MOKE). Vyššie uvedená časť ukazuje schému moiré supermriežky vytvorenej krútením medzivrstvy. Spodný panel: Môže sa objaviť nekolineárny magnetický stav. Časť B vyššie ukazuje, že výsledky MOKE ukazujú koexistenciu antiferomagnetických (AFM) a feromagnetických (FM) rádov v „moaré magnete“ tDB CrI3 v porovnaní s poradím AFM v prirodzenej antiferomagnetickej dvojvrstve CrI3. Poďakovanie: Ilustrácia Guanghui Cheng a Yong P. Chen

„Na jeho vrch sme umiestnili antiferomagnet a otočili sme ho a dostali sme feromagnet,“ hovorí Chen. „Toto je fascinujúci príklad nedávno objaveného poľa 'skrúteného' alebo moiré magnetizmu v skrútených 2D materiáloch, kde uhol skrútenia medzi dvoma vrstvami poskytuje silný ladiaci gombík a dramaticky mení vlastnosti materiálu.“

„Výroba skrúteného dvojitého dvojvrstvového CRI₃Odtrhneme časť dvojvrstvového CRI₃otočte a naskladajte na inú časť pomocou takzvanej techniky vrstvenia,“ vysvetľuje Cheng. „Prostredníctvom magneto-optických meraní Kerrovho efektu (MOKE), čo je citlivý nástroj na skúmanie magnetického správania až po niekoľko atómových vrstiev, sme pozorovali koexistenciu feromagnetického a antiferomagnetického poriadku, čo je charakteristickým znakom magnetizmu Moiré, a ďalej demonštrovali napätie. – asistované magnetické spínanie. Tento druh magnetizmu Moiré je novou formou magnetizmu, ktorý pozostáva z priestorovo oddelených feromagnetických a antiferomagnetických fáz, ktoré sa periodicky menia podľa supermriežky Moiré.

Twistronics sa až do tohto bodu zameriaval predovšetkým na úpravu elektronických vlastností, ako sú skrútené dvojvrstvy. grafén, Tím Purdue chcel zmeniť stupne voľnosti rotácie a rozhodol sa použiť CRI₃, medzivrstvový antiferomagneticky spojený VDW materiál. Výsledok samoskrúcania naskladaných antiferomagnetov bol možný vďaka výrobe vzoriek s rôznymi uhlami skrúcania. Inými slovami, po vyrobení je uhol natočenia každého zariadenia pevný a potom sa vykoná meranie MOKE.

Teoretické výpočty pre tento experiment vykonal Upadhyaya a jeho tím. To poskytlo silnú podporu pozorovaniam, ktoré dostal Chenov tím.

„Naše teoretické výpočty odhalili bohatý fázový diagram s nekolineárnymi fázami TA-1DW, TA-2DW, TS-2DW, TS-4DW atď.,“ hovorí Upadhyay.

Tento výskum sa rozšíril do rozsahu prebiehajúceho výskumu Chenovho tímu. Táto práca nasleduje po niekoľkých nedávnych publikáciách tímu týkajúcich sa novej fyziky a vlastností „2D magnetov“, ako napríklad „Vznik medzifázového feromagnetizmu laditeľného elektrickým poľom v 2D antiferomagnetických heteroštruktúrach.ktorý bol nedávno zverejnený komunikácia prírody, Táto výskumná cesta má vzrušujúce možnosti v oblasti twistroniky a spintroniky.

„Identifikovaný magnet Moiré naznačuje novú triedu materiálovej platformy pre spintroniku a magnetoelektroniku,“ hovorí Chen. „Pozorované napäťovo podporované magnetické prepínanie a magnetoelektrické efekty by mohli viesť k sľubným pamäťovým a spinovým logickým zariadeniam. Ako nový stupeň voľnosti možno tento skrútenie použiť na širokú škálu homo/heterobilových vrstiev magnetov VDW, čím sa otvára príležitosť na vykonávanie novej fyziky, ako aj spintronických aplikácií.

Referencia: „Elektricky ladené skrútené dvojité vrstvy jodidu chrómového“ od Guanghui Cheng, Mohammad Mushfiqur Rahman, Andres Lacsahuanga Alka, Avinash Rustagi, Xingtao Liu, Lina Liu, Lei Fu, Yanglin Zhu, Zhiqiang Mao, Kenashichi Tanifikované Moe Magnetism Taniganbe „. , Prameya Upadhyay a Yong P. Chen, 19. júna 2023, Prírodná elektronika,
DOI: 10.1038/s41928-023-00978-0

Tím, väčšinou z Purdue, pozostáva z dvoch rovnocenných vedúcich autorov: Dr. Guanghui Cheng a Mohammad Mushfiqur Rahman. Cheng bol postdoktorom v skupine Dr. Yong P. Chena na Purdue University a teraz je odborným asistentom na Advanced Institute for Materials Research (AIMR, kde je aj Chen pridružený ako hlavný riešiteľ) na Univerzite Tohoku. Mohammad Mushfiqur Rahman je doktorandom v skupine Dr. Prameya Upadhyay. Chen a Upadhyay sú zodpovedajúcimi autormi tejto publikácie a profesormi na Purdue University. Chen je Carl Lark-Horowitz profesor fyziky a astronómie, profesor elektrotechniky a počítačového inžinierstva a riaditeľ Purdue Quantum Science and Engineering Institute. Upadhyaya je odborný asistent elektrotechniky a počítačového inžinierstva. Medzi ďalších členov tímu pridruženého k Purdue patrí Andres Laxahuanga Alca (PhD študent), Dr. Lina Liu (postdoktorand) a Dr. Lei Fu (postdoktorand) zo skupiny Chen, Dr. Avinash Rustagi (postdoktorand) zo skupiny Upadhyay, a Dr. Xingtao Liu je zahrnutý. (Bývalý výskumný asistent v Birks Nanotechnology Center).

Túto prácu čiastočne podporil Úrad pre vedu Ministerstva energetiky USA (DOE) prostredníctvom Quantum Science Center (QSC, národné výskumné centrum kvantovej informačnej vedy) a programu Multidisciplinárnej univerzitnej výskumnej iniciatívy (MURI) Ministerstva obrany (DOD) ( FA9550- Is. 20-1-0322). Cheng a Chen tiež získali čiastočnú podporu od WPI-AIMR, JSPS KAKENHI Basic Science A (18H03858), New Science (18H04473 a 20H04623) a Tohoku University FRiD Program v počiatočných fázach výskumu.

Upadhyay tiež oceňuje podporu Národnej vedeckej nadácie (NSF) (ECCS-1810494). hromadné kri₃ Kryštály poskytuje skupina Zhiqiang Mao z Pennsylvania State University s podporou US DOE (DE-SC0019068). Hromadné kryštály hBN poskytujú Kenji Watanabe a Takashi Taniguchi z Národného inštitútu pre materiálové vedy v Japonsku s podporou JSPS KAKENHI (čísla grantu 20H00354, 21H05233 a 23H02052) a World Premiere International Research Center Initiative (WPI), MEXT, .