Об'єднання Twistronic і Spintronics для передової електроніки

Дослідники Університету Пердью обертають подвійні подвійні шари антиферомагнетиків, щоб продемонструвати регульований муаровий магнетизм.

Twistronics — це не новий танцювальний рух, тренажери чи музична мода. Ні, це набагато крутіше, ніж щось подібне. Це захоплююча нова розробка в квантовій фізиці та матеріалознавстві, де матеріали Ван-дер-Ваальса накладаються один на одного шарами, як аркуші паперу в стосі, які можна легко скручувати та повертати, залишаючись плоскими, і квантові фізики використовували ці стоси відкривати цікаві квантові явища.

Додавши концепцію квантового обертання зі скрученими подвійними шарами антимагнетиків, можна отримати регульований муаровий магнетизм. Це говорить про новий клас матеріальних платформ для наступного кроку в спінелектроніці: спінтроніки. Ця нова наука може привести до перспективних пристроїв для пам’яті та спінової логіки, відкривши світові фізики абсолютно новий шлях із застосуванням спінтроніки.

Скручуючи магніти Ван-дер-Ваальса, можуть виникати нелінійні магнітні стани з великою електричною можливістю налаштування. Авторство зображення: Райан Аллен, Second Bay Studios

Команда дослідників у галузі квантової фізики та матеріалів з Університету Пердью представила техніку кручення для контролю ступеня свободи обертання за допомогою CrI.₃, ван-дер-ваальсовий (vdW) матеріал, з’єднаний з антиферомагнітним прошарком, як його посередник. Вони опублікували свої висновки під назвою «Електрично настроюваний муаровий магнетизм у скручених подвійних шарах трийодиду хрому» в журналі Природна електроніка.

«У цьому дослідженні ми виготовили скручений подвійний шар CrI₃«Тобто подвійний шар плюс двошаровий із закрученим кутом між ними», — говорить доктор Гуанвей Ченг, один із провідних авторів публікації. «Ми повідомляємо про муаровий магнетизм із багатими магнітними фазами та чудовою можливістю налаштування електричним методом».

Супермуарову структуру скрученого подвійного шару (tDB) CrI3 і його магнітну поведінку досліджено магнітооптичним ефектом Керра (MOKE). Розділ A вище показує схематичну діаграму гофрованої надґратки, виготовленої шляхом скручування проміжних шарів. Нижня панель: можна показати нелінійний магнітний корпус. Розділ B вище показує, що результати MOKE демонструють співіснування феромагнітного (AFM) і феромагнітного (FM) порядків у «муаровому магніті» tDB CrI3 порівняно з AFM-порядками в природному антиферомагнітному подвійному шарі CrI3. Авторство: ілюстрації Гуанхуй Ченга та Йон П. Чена

«Ми склали антиферомагнетик і скрутили його на себе, і ми отримали феромагнетик», — каже Чень. «Це також яскравий приклад нещодавно виниклої області «закрученого» магнетизму або муару в 2D-скручених матеріалах, де кут закручування між двома шарами забезпечує потужну ручку налаштування та різко змінює властивості матеріалу».

«Для виготовлення крученого подвійного шару CrI₃відриваємо одну частину бішару CrI₃«Поверніть його та покладіть на іншу частину, використовуючи так звану техніку розриву та складання», — пояснює Ченг. «Вимірюючи магнітооптичний ефект Керра (MOKE), чутливий інструмент для дослідження магнітної поведінки аж до кількох атомних шарів, ми спостерігали співіснування феромагнітного та антиферомагнітного порядків, ознаки муарового магнетизму, і додатково продемонстрували напругу. магнітне перемикання. Такий хвильовий магнетизм є новою формою магнетизму, що характеризується просторово змінними феромагнітними та антиферомагнітними фазами, які періодично чергуються відповідно до надгратки муару.

До цього моменту twisttronics в основному зосереджувалася на модифікації електронних властивостей, таких як скручений двошаровий шар. Графен. Команда Purdue хотіла запропонувати певний ступінь свободи в обертанні та вирішила використовувати CrI₃, VdW матеріал у поєднанні з антимагнітним шаром. Результат скручування складених антимагнетиків самих по собі стає можливим завдяки виготовленню зразків із різними кутами скручування. Іншими словами, після виготовлення торсіонний кут кожного пристрою стає постійним, а потім виконуються вимірювання MOKE.

Теоретичні розрахунки для цього експерименту виконали Упадхьяя та його команда. Це забезпечило сильну підтримку спостереженням, зробленим командою Чена.

«Наші теоретичні розрахунки виявили фазову діаграму, багату нелінійними фазами TA-1DW, TA-2DW, TS-2DW, TS-4DW тощо», — каже Упадх’яя.

Це дослідження є частиною поточних досліджень команди Чена. Ця робота є результатом кількох останніх відповідних публікацій команди, пов’язаних із новою фізикою та властивостями «2D-магнітів», таких як «Поява міжфазного феромагнетизму, що перебудовується електричним полем, у 2D магнітних гетероструктурах», яка нещодавно була опублікована в Комунікації природи. Цей напрямок досліджень має захоплюючий потенціал у галузі спінтроніки та спінтроніки.

«Виявлені гофровані магніти вказують на новий клас матеріальних платформ для спінтроніки та магнітної електроніки», — каже Чен. «Спостережуване магнітне перемикання за допомогою напруги та електромагнітний ефект можуть призвести до багатообіцяючих пристроїв пам’яті та спінової логіки. Як новий ступінь свободи, цей поворот можна застосувати до широкого діапазону гомо/гетеро бішарів для магнітів VdW, відкриваючи можливість для прагнути до нової фізики, а також застосувань спінтроніки».

Довідка: «Електрично настроюваний муаровий магнетизм у скручених подвійних шарах трийодиду хрому» Гуанхуй Чен, Мухаммад Мушфікур Рахман, Андрес Ллаксауанга Аллка, Авінаш Рустагі, Синтао Лю, Ліна Лю, Лей Фу, Янлін Чжу, Чжицян Мао, Кендзі Ватанабе, Такаші Танігучі . , Прамі Упадх'яя та Йонг Пей Чен, 19 червня 2023 р., Природна електроніка.
doi: 10.1038/s41928-023-00978-0

Команда, в основному з Пердью, включає двох провідних авторів: доктора Гуанвей Ченга та Мухаммада Мушфікура Рахмана. Ченг був доктором наук у групі доктора Йонг-Пей Чена в Університеті Пердью, а зараз є доцентом Інституту перспективних досліджень матеріалів (AIMR, де Чен також є головним дослідником) в Університеті Тохоку. Мухаммад Мушфікур Рахман є аспірантом у групі доктора Прамі Упадх'яї. Чен і Упадх'яя є співавторами цієї публікації та є професорами Університету Пердью. Чен є професором фізики та астрономії імені Карла Ларка Горовіца, професором електротехніки та комп’ютерної інженерії та директором Інституту квантової науки та техніки Пердью. Упадх'яя є доцентом кафедри електротехніки та комп'ютерної інженерії. Серед інших членів команди Purdue – Андрес Лаксахуанга Алка (аспірант), доктор Ліна Лю (постдок), доктор Лі Фу (постдок) з групи Чена, д-р Авінаш Рустагі (постдок) з групи Упадх'яя та доктор Сінтао Лео. (колишній науковий співробітник Центру нанотехнологій Берка).

Ця робота частково підтримується Управлінням науки Міністерства енергетики США (DOE) через Центр квантової науки (QSC, Національний науково-дослідницький центр квантової інформації) та Програму багатопрофільних університетських дослідницьких ініціатив Міністерства оборони (MURI) (FA9550-) 20- 1 -0322). Ченг і Чен також отримали часткову підтримку від WPI-AIMR, JSPS KAKENHI Basic Science A (18H03858), New Science (18H04473 і 20H04623) і програми FRiD Університету Тохоку на ранніх етапах дослідження.

Upadhyaya також висловлює подяку за підтримку Національного наукового фонду (NSF) (ECCS-1810494). масовий крі₃ Кристали надає група Zhiqiang Mao з Університету штату Пенсільванія за підтримки Міністерства енергетики США (DE-SC0019068). Об’ємні кристали hBN надають Кендзі Ватанабе та Такаші Танігучі з Національного інституту матеріалознавства, Японія, за підтримки JSPS KAKENHI (номер гранту 20H00354, 21H05233 та 23H02052) та Світового прем’єр-центру міжнародної дослідницької ініціативи (WPI), MEXT , Японія.