Unificatie van Twisttronics en Spintronics voor geavanceerde elektronica

Onderzoekers van Purdue University spinnen dubbele dubbellagen van antiferromagneten om afstembaar moiré-magnetisme aan te tonen.

Twisttronics is geen nieuwe dansbeweging, fitnessapparatuur of muziekrage. Nee, het is veel cooler dan zoiets. Het is een opwindende nieuwe ontwikkeling in de kwantumfysica en materiaalkunde waarbij van der Waals-materialen in lagen op elkaar worden gestapeld, zoals vellen papier in een stapel die gemakkelijk kunnen draaien en draaien terwijl ze plat blijven, en kwantumfysici hebben deze stapels gebruikt. om interessante kwantumfenomenen te ontdekken.

Door het concept van kwantumspin toe te voegen met gedraaide dubbellagen van antimagneten, is het mogelijk om afstembaar moiré-magnetisme te verkrijgen. Dit suggereert een nieuwe klasse materiaalplatforms voor de volgende stap in de spin-elektronica: spintronica. Deze nieuwe wetenschap zou kunnen leiden tot veelbelovende apparaten voor geheugen en spinlogica, waardoor de wereld van de natuurkunde een geheel nieuw pad zou openen met spintronica-toepassingen.

Door van der Waals-magneten te draaien kunnen niet-lineaire magnetische toestanden met een grote elektrische afstembaarheid ontstaan. Krediet: Ryan Allen, Second Bay Studios

Een team van onderzoekers in de kwantumfysica en materialen aan de Purdue University heeft een torsietechniek geïntroduceerd om de mate van rotatievrijheid te regelen met behulp van CrI.₃, een van der Waals (vdW) materiaal gekoppeld aan de antiferromagnetische tussenlaag, als mediator. Ze publiceerden hun bevindingen, getiteld ‘Electrically tunable moiré magnetism in twisted double dubbellagen van chroomtrijodide’, in het tijdschrift Natuurelektronica.

“In deze studie hebben we een gedraaide dubbele laag CrI vervaardigd₃“Dat wil zeggen: een dubbellaag plus een dubbellaag met een gedraaide hoek ertussen”, zegt dr. Guangwei Cheng, medehoofdauteur van de publicatie. “We rapporteren moiré-magnetisme met rijke magnetische fasen en grote afstembaarheid via de elektrische methode.”

De supermoiré-structuur van gedraaide dubbellaags (tDB) CrI3 en zijn magnetisch gedrag onderzocht door het magneto-optische Kerr-effect (MOKE). Sectie A hierboven toont het schematische diagram van het gegolfde superrooster vervaardigd door het draaien van de tussenlagen. Onderpaneel: er kan een niet-lineaire magnetische behuizing worden getoond. Sectie B hierboven laat zien dat de MOKE-resultaten het naast elkaar bestaan ​​van ferromagnetische (AFM) en ferromagnetische (FM) orders in een tDB CrI3 “moiré-magneet” aantonen vergeleken met AFM-orders in een natuurlijke antiferromagnetische CrI3-dubbellaag. Krediet: illustratie door Guanghui Cheng en Yong P. Chen

“We stapelden een antiferromagneet op elkaar en draaiden die om zichzelf heen, en zo kregen we een ferromagneet”, zegt Chen. “Dit is ook een treffend voorbeeld van het recentelijk opkomende gebied van ‘gedraaid’ magnetisme of moiré in 2D-gedraaide materialen, waarbij de draaihoek tussen de twee lagen zorgt voor een krachtige afstemknop en de materiaaleigenschappen dramatisch verandert.”

“Voor de vervaardiging van gedraaide dubbellaagse CrI₃scheuren we een deel van de CrI-dubbellaag af₃“Draai het en stapel het op het andere onderdeel, met behulp van de zogenaamde scheur- en stapeltechniek”, legt Cheng uit. “Door het magneto-optische Kerr-effect (MOKE) te meten, een gevoelig instrument voor het onderzoeken van magnetisch gedrag tot in enkele atomaire lagen, hebben we het naast elkaar bestaan ​​van ferromagnetische en antiferromagnetische orden waargenomen, het kenmerk van moiré-magnetisme, en hebben we de spanning verder gedemonstreerd. magnetisch schakelen. Dergelijk golfmagnetisme is een nieuwe vorm van magnetisme die wordt gekenmerkt door ruimtelijk variërende ferromagnetische en antiferromagnetische fasen, die periodiek afwisselen volgens het moiré-superrooster.

Tot nu toe heeft twisttronics zich vooral gericht op het wijzigen van elektronische eigenschappen, zoals de gedraaide dubbellaag Grafeen. Het Purdue-team wilde een zekere mate van vrijheid bieden in de rotatie en koos ervoor om CrI te gebruiken₃vdW-materiaal gecombineerd met een antimagnetische laag. Het draairesultaat van op elkaar gestapelde antimagneten wordt mogelijk gemaakt door monsters met verschillende draaihoeken te vervaardigen. Met andere woorden: zodra het apparaat is gefabriceerd, wordt de torsiehoek van elk apparaat constant en worden vervolgens MOKE-metingen uitgevoerd.

De theoretische berekeningen voor dit experiment zijn uitgevoerd door Upadhyaya en zijn team. Dit vormde een krachtige steun voor de waarnemingen van Chens team.

“Onze theoretische berekeningen hebben een fasediagram onthuld dat rijk is aan niet-lineaire fasen van TA-1DW, TA-2DW, TS-2DW, TS-4DW, enz.”, zegt Upadhyaya.

Dit onderzoek maakt deel uit van lopend onderzoek door het team van Chen. Dit werk volgt op verschillende recente relevante publicaties van het team met betrekking tot de nieuwe fysica en eigenschappen van “2D-magneten”, zoals “Opkomst van elektrisch veldafstembaar grensvlakferromagnetisme in 2D magnetische heterostructuren“, dat onlangs werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie. Deze onderzoeksrichting heeft een opwindend potentieel op het gebied van spintronica en spintronica.

“De geïdentificeerde gegolfde magneten wijzen op een nieuwe klasse materiaalplatforms voor spintronica en magnetische elektronica”, zegt Chen. “De waargenomen spanningsondersteunde magnetische schakelingen en het elektromagnetische effect kunnen leiden tot veelbelovende geheugen- en spinlogica-apparaten. Als een nieuwe mate van vrijheid kan deze wending worden toegepast op een breed scala aan homo / hetero-dubbellagen voor vdW-magneten, waardoor de mogelijkheid wordt geopend om streven naar nieuwe natuurkunde- en spintronica-toepassingen.”

Referentie: “Elektrisch afstembaar moiré-magnetisme in gedraaide dubbele dubbellagen van chroomtrijodide” door 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 en Yong Pei Chen, 19 juni 2023, Natuurelektronica.
doi: 10.1038/s41928-023-00978-0

Het team, voornamelijk uit Purdue, bestaat uit twee gelijkwaardige hoofdauteurs: Dr. Guangwei Cheng en Muhammad Mushfiqur Rahman. Cheng was een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Dr. Yong-Pei Chen aan de Purdue Universiteit, en is nu assistent-professor aan het Advanced Institute for Materials Research (AIMR, waar Chen ook hoofdonderzoeker is) aan de Tohoku Universiteit. Muhammad Mushfiqur Rahman is een PhD-student in de groep van Dr. Prami Upadhyaya. Chen en Upadhyaya zijn corresponderende auteurs van deze publicatie en professoren aan de Purdue University. Chen is Carl Lark Horowitz hoogleraar natuurkunde en astronomie, hoogleraar elektrische en computertechniek, en directeur van het Purdue Institute for Quantum Science and Engineering. Upadhyaya is assistent-professor elektrische en computertechniek. Andere Purdue-teamleden zijn Andres Laxahuanga Alka (PhD-student), Dr. Lina Liu (postdoc), Dr. Li Fu (postdoc) uit de groep van Chen, Dr. Avinash Rustagi (postdoc) uit de groep van Upadhyaya en Dr. Xingtao Leo. (voormalig onderzoeksassistent bij het Burke Center for Nanotechnology).

Dit werk wordt gedeeltelijk ondersteund door het Office of Science van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) via het Quantum Science Center (QSC, National Quantum Information Science Research Center) en het DoD Multidisciplinaire University Research Initiatives (MURI) Program (FA9550-) 20- 1-0322). Cheng en Chen ontvingen ook gedeeltelijke steun van WPI-AIMR, JSPS KAKENHI Basic Science A (18H03858), New Science (18H04473 en 20H04623) en het FRiD-programma van Tohoku University in de vroege stadia van het onderzoek.

Upadhyaya erkent ook de steun van de National Science Foundation (NSF) (ECCS-1810494). bulk cree₃ Kristallen worden geleverd door de Zhiqiang Mao-groep van de Pennsylvania State University met steun van het Amerikaanse ministerie van Energie (DE-SC0019068). Bulk-hBN-kristallen worden geleverd door Kenji Watanabe en Takashi Taniguchi van het National Institute of Materials Science, Japan, met steun van JSPS KAKENHI (subsidienummers 20H00354, 21H05233 en 23H02052) en het World Premier Center for International Research Initiative (WPI), MEXT , Japan.