Ενοποίηση Twistronics και Spintronics για προηγμένα ηλεκτρονικά

Οι ερευνητές του Πανεπιστημίου Purdue περιστρέφουν διπλές διπλές στρώσεις αντισιδηρομαγνήτων για να αποδείξουν τον συντονισμένο μαγνητισμό moiré.

Το Twistronics δεν είναι μια καινούργια χορευτική κίνηση, εξοπλισμός γυμναστικής ή μουσική μόδα. Όχι, είναι πολύ πιο cool από οτιδήποτε τέτοιο. Είναι μια συναρπαστική νέα εξέλιξη στην κβαντική φυσική και την επιστήμη των υλικών όπου τα υλικά του van der Waals στοιβάζονται το ένα πάνω στο άλλο σε στρώσεις, όπως φύλλα χαρτιού σε μια στοίβα που μπορούν εύκολα να στρίψουν και να στρίψουν ενώ παραμένουν επίπεδες, και οι κβαντικοί φυσικοί έχουν χρησιμοποιήσει αυτές τις στοίβες να ανακαλύψουν ενδιαφέροντα κβαντικά φαινόμενα.

Προσθέτοντας την έννοια του κβαντικού σπιν με στριμμένα διπλά στρώματα αντιμαγνητών, είναι δυνατό να έχουμε συντονισμένο μαγνητισμό moiré. Αυτό υποδηλώνει μια νέα κατηγορία υλικών πλατφορμών για το επόμενο βήμα στην spinelectronic: spintronic. Αυτή η νέα επιστήμη θα μπορούσε να οδηγήσει σε πολλά υποσχόμενες συσκευές για τη μνήμη και τη λογική περιστροφής, ανοίγοντας τον κόσμο της φυσικής σε ένα εντελώς νέο μονοπάτι με εφαρμογές spintronic.

Με τη συστροφή των μαγνητών van der Waals, μπορούν να προκύψουν μη γραμμικές μαγνητικές καταστάσεις με μεγάλη ηλεκτρική δυνατότητα συντονισμού. Πίστωση: Ryan Allen, Second Bay Studios

Μια ομάδα ερευνητών στην κβαντική φυσική και υλικά στο Πανεπιστήμιο Purdue εισήγαγε μια τεχνική στρέψης για τον έλεγχο του βαθμού ελευθερίας περιστροφής χρησιμοποιώντας το CrI.₃, ένα υλικό van der Waals (vdW) συζευγμένο με το αντισιδηρομαγνητικό ενδιάμεσο στρώμα, ως μεσολαβητής του. Δημοσίευσαν τα ευρήματά τους, με τίτλο «Ηλεκτρικά συντονισμένος μαγνητισμός moiré σε στριμμένα διπλά στρώματα τριιωδιούχου χρωμίου», στο περιοδικό Ηλεκτρονικά της φύσης.

«Σε αυτή τη μελέτη, κατασκευάσαμε ένα στριμμένο διπλό στρώμα CrI₃«Δηλαδή, μια διπλή στιβάδα συν μια διπλή στιβάδα με μια στριμμένη γωνία ενδιάμεσα», λέει ο Δρ Guangwei Cheng, συν-επικεφαλής συγγραφέας της δημοσίευσης. “Αναφέρουμε μαγνητισμό moiré με πλούσιες μαγνητικές φάσεις και μεγάλη δυνατότητα συντονισμού με την ηλεκτρική μέθοδο.”

Η δομή supermoiré του συνεστραμμένου διπλού στρώματος (tDB) CrI3 και οι μαγνητικές του συμπεριφορές που διερευνήθηκαν από το μαγνητοοπτικό φαινόμενο Kerr (MOKE). Το τμήμα Α παραπάνω δείχνει το σχηματικό διάγραμμα του κυματοειδούς υπερπλέγματος που κατασκευάζεται με συστροφή των ενδιάμεσων στρωμάτων. Κάτω πίνακας: μπορεί να εμφανιστεί μια μη γραμμική μαγνητική θήκη. Η ενότητα Β παραπάνω δείχνει ότι τα αποτελέσματα MOKE καταδεικνύουν τη συνύπαρξη σιδηρομαγνητικών (AFM) και σιδηρομαγνητικών (FM) εντολών σε έναν tDB CrI3 «μαγνήτη moiré» σε σύγκριση με τις εντολές AFM σε μια φυσική αντισιδηρομαγνητική διπλή στιβάδα CrI3. Πραγματοποίηση: Εικονογράφηση από Guanghui Cheng και Yong P. Chen

«Στοιβάσαμε έναν αντισιδηρομαγνήτη και τον στρίψαμε στον εαυτό του και πήραμε έναν σιδηρομαγνήτη», λέει ο Chen. “Αυτό είναι επίσης ένα εντυπωσιακό παράδειγμα της πρόσφατα αναδυόμενης περιοχής “στριμμένου” μαγνητισμού ή μουαρέ σε 2D συνεστραμμένα υλικά, όπου η γωνία περιστροφής μεταξύ των δύο στρωμάτων παρέχει ένα ισχυρό κουμπί συντονισμού και αλλάζει δραματικά την ιδιότητα του υλικού.”

«Για την κατασκευή στριμμένης διπλής στρώσης CrI₃αποκόπτουμε ένα μέρος της διπλής στιβάδας CrI₃«Γυρίστε το και τοποθετήστε το πάνω από το άλλο μέρος, χρησιμοποιώντας αυτό που ονομάζεται τεχνική tear and stack», εξηγεί ο Cheng. «Μετρώντας το μαγνητο-οπτικό φαινόμενο Kerr (MOKE), ένα ευαίσθητο εργαλείο για την ανίχνευση της μαγνητικής συμπεριφοράς σε λίγα ατομικά στρώματα, παρατηρήσαμε τη συνύπαρξη σιδηρομαγνητικών και αντισιδηρομαγνητικών τάξεων, το χαρακτηριστικό του μαγνητισμού moiré, και δείξαμε περαιτέρω την τάση. μαγνητική εναλλαγή. Αυτός ο κυματικός μαγνητισμός είναι μια νέα μορφή μαγνητισμού που χαρακτηρίζεται από χωρικά μεταβαλλόμενες σιδηρομαγνητικές και αντισιδηρομαγνητικές φάσεις, που εναλλάσσονται περιοδικά σύμφωνα με το υπερπλέγμα moiré.

Σε αυτό το σημείο, η twisttronics έχει επικεντρωθεί κυρίως στην τροποποίηση ηλεκτρονικών ιδιοτήτων, όπως η συνεστραμμένη διπλοστιβάδα Γραφένιο. Η ομάδα του Purdue ήθελε να προσφέρει έναν βαθμό ελευθερίας στην περιστροφή και επέλεξε να χρησιμοποιήσει το CrI₃, υλικό vdW σε συνδυασμό με αντιμαγνητικό στρώμα. Το αποτέλεσμα συστροφής των στοιβαγμένων αντιμαγνητών στον εαυτό τους καθίσταται δυνατό με την κατασκευή δειγμάτων με διαφορετικές γωνίες συστροφής. Με άλλα λόγια, μόλις κατασκευαστεί, η γωνία στρέψης κάθε συσκευής γίνεται σταθερή και στη συνέχεια εκτελούνται μετρήσεις MOKE.

Οι θεωρητικοί υπολογισμοί για αυτό το πείραμα πραγματοποιήθηκαν από τον Upadhyaya και την ομάδα του. Αυτό παρείχε ισχυρή υποστήριξη για τις παρατηρήσεις που έκανε η ομάδα του Chen.

«Οι θεωρητικοί υπολογισμοί μας αποκάλυψαν ένα διάγραμμα φάσεων πλούσιο σε μη γραμμικές φάσεις των TA-1DW, TA-2DW, TS-2DW, TS-4DW, κ.λπ.», λέει ο Upadhyaya.

Αυτή η έρευνα είναι μέρος της συνεχιζόμενης έρευνας από την ομάδα του Chen. Αυτή η εργασία ακολουθεί αρκετές πρόσφατες σχετικές δημοσιεύσεις από την ομάδα που σχετίζονται με τη νέα φυσική και τις ιδιότητες των «2D μαγνητών», όπως «Εμφάνιση συντονισμένου ηλεκτρικού πεδίου διεπιφανειακού σιδηρομαγνητισμού σε δισδιάστατες μαγνητικές ετεροδομές», που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Επικοινωνίες για τη φύση. Αυτή η ερευνητική λεωφόρος έχει συναρπαστικές δυνατότητες στον τομέα της σπιντρονικής και της σπιντρονικής.

«Οι αναγνωρισμένοι κυματοειδείς μαγνήτες δείχνουν μια νέα κατηγορία υλικών πλατφορμών για σπιντρονικά και μαγνητικά ηλεκτρονικά», λέει ο Τσεν. “Η παρατηρούμενη υποβοηθούμενη από τάση μαγνητική μεταγωγή και το ηλεκτρομαγνητικό φαινόμενο μπορεί να οδηγήσουν σε πολλά υποσχόμενες λογικές συσκευές μνήμης και spin. Ως νέος βαθμός ελευθερίας, αυτή η συστροφή μπορεί να εφαρμοστεί σε ένα ευρύ φάσμα ομο/ετεροδιστρωμάτων μαγνητών vdW, ανοίγοντας την ευκαιρία σε επιδίωξη νέων εφαρμογών φυσικής καθώς και σπιντρονικής».

Παραπομπή: «Ηλεκτρικά συντονιζόμενος μαγνητισμός moiré σε συνεστραμμένα διπλά στρώματα τριιωδιούχου χρωμίου» από τους Guanghui Cheng, Muhammad Mushfiqur Rahman, Andres Llacsahuanga Allcca, Avinash Rustagi, Xingtao Liu, Lina Liu, Lei Fu, Yanglin Washi Tanika Zhuo, Taniiqi . , Prami Upadhyaya και Yong Pei Chen, 19 Ιουνίου 2023, Ηλεκτρονικά της φύσης.
doi: 10.1038/s41928-023-00978-0

Η ομάδα, ως επί το πλείστον από το Purdue, περιλαμβάνει δύο εξίσου συνεισφέροντες κύριους συγγραφείς: τον Dr. Guangwei Cheng και τον Muhammad Mushfiqur Rahman. Ο Cheng ήταν μεταδιδακτορικός ερευνητής στην ομάδα του Dr. Yong-Pei Chen στο Πανεπιστήμιο Purdue και τώρα είναι επίκουρος καθηγητής στο Advanced Institute for Materials Research (AIMR, όπου ο Chen είναι επίσης κύριος ερευνητής) στο Πανεπιστήμιο Tohoku. Ο Muhammad Mushfiqur Rahman είναι διδάκτορας στην ομάδα του Dr. Prami Upadhyaya. Οι Chen και Upadhyaya είναι αντίστοιχοι συγγραφείς αυτής της έκδοσης και είναι καθηγητές στο Πανεπιστήμιο Purdue. Ο Chen είναι ο Carl Lark Horowitz Καθηγητής Φυσικής και Αστρονομίας, καθηγητής Ηλεκτρολογίας και Μηχανικής Υπολογιστών και διευθυντής του Ινστιτούτου Purdue για την Κβαντική Επιστήμη και Μηχανική. Ο Upadhyaya είναι επίκουρος καθηγητής ηλεκτρολόγων μηχανικών και μηχανικών υπολογιστών. Άλλα μέλη της ομάδας Purdue περιλαμβάνουν τον Andres Laxahuanga Alka (διδακτορικός φοιτητής), ο Dr. Lina Liu (μεταδιδακτορικός), ο Dr. Li Fu (μεταδιδακτορικός) από την ομάδα του Chen, ο Dr. Avinash Rustagi (μεταδιδακτορικός) από την ομάδα του Upadhyaya και ο Dr. Xingtao Leo. (πρώην βοηθός ερευνητής στο Burke Center for Nanotechnology).

Αυτή η εργασία υποστηρίζεται εν μέρει από το Γραφείο Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) μέσω του Quantum Science Center (QSC, National Quantum Information Science Research Center) και του Προγράμματος DoD Multidisciplinary University Research Initiatives (MURI) (FA9550-) 20- 1 -0322). Ο Cheng και ο Chen έλαβαν επίσης μερική υποστήριξη από το WPI-AIMR, το JSPS KAKENHI Basic Science A (18H03858), το New Science (18H04473 και 20H04623) και το Πρόγραμμα FRiD του Πανεπιστημίου Tohoku στα αρχικά στάδια της έρευνας.

Η Upadhyaya αναγνωρίζει επίσης την υποστήριξη από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (NSF) (ECCS-1810494). χύμα cree₃ Οι κρύσταλλοι παρέχονται από την ομάδα Zhiqiang Mao του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια με την υποστήριξη του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DE-SC0019068). Οι μαζικοί κρύσταλλοι hBN παρέχονται από τους Kenji Watanabe και Takashi Taniguchi από το Εθνικό Ινστιτούτο Επιστήμης Υλικών της Ιαπωνίας, με την υποστήριξη από το JSPS KAKENHI (αριθμοί επιχορήγησης 20H00354, 21H05233, και 23H02052) και το World Premier Center for International Research Initiative (WW) , Ιαπωνία.