Объединение Твистроникс и Спинтроника для современной электроники

Исследователи из Университета Пердью прядут двойные бислои антиферромагнетиков, чтобы продемонстрировать настраиваемый муаровый магнетизм.

Твистроникс — это не новое танцевальное движение, тренажер или музыкальная причуда. Нет, это намного круче, чем что-либо подобное. Это захватывающая новая разработка в квантовой физике и материаловедении, где материалы Ван-дер-Ваальса укладываются слоями друг на друга, как листы бумаги в стопку, которые могут легко скручиваться и поворачиваться, оставаясь при этом плоскими, и квантовые физики использовали эти стопки. открыть интересные квантовые явления.

Дополнив концепцию квантового спина скрученными бислоями антимагнетиков, можно получить настраиваемый муаровый магнетизм. Это предполагает новый класс материальных платформ для следующего шага в спиновой электронике: спинтронику. Эта новая наука может привести к созданию многообещающих устройств для памяти и спиновой логики, открыв миру физики совершенно новый путь применения спинтроники.

Скручивая магниты Ван-дер-Ваальса, можно получить нелинейные магнитные состояния с большой электрической настраиваемостью. Фото: Райан Аллен, Second Bay Studios.

Команда исследователей в области квантовой физики и материалов из Университета Пердью представила метод кручения для управления степенью свободы вращения с помощью CrI.₃, материал Ван-дер-Ваальса (ВДВ), связанный с антиферромагнитной прослойкой в ​​качестве его медиатора. Они опубликовали свои результаты под названием «Электрически перестраиваемый муаровый магнетизм в скрученных двойных бислоях трийодида хрома» в журнале. Природная электроника.

«В этом исследовании мы изготовили скрученный двойной слой CrI.₃«То есть бислой плюс бислой с закрученным углом между ними», — говорит доктор Гуанвэй Ченг, соавтор публикации. «Мы сообщаем о муаровом магнетизме с богатыми магнитными фазами и большой возможностью настройки электрическим методом».

Супермуаровая структура двойного скрученного слоя (tDB) CrI3 и его магнитное поведение, исследованные с помощью магнитооптического эффекта Керра (MOKE). В разделе А выше показана схематическая диаграмма гофрированной сверхрешетки, изготовленной путем скручивания промежуточных слоев. Нижняя панель: можно показать нелинейный магнитный корпус. В разделе B выше показано, что результаты MOKE демонстрируют сосуществование ферромагнитных (AFM) и ферромагнитных (FM) порядков в «муаровом магните» tDB CrI3 по сравнению с AFM-порядками в естественном антиферромагнитном бислое CrI3. Фото: Иллюстрация Гуанхуи Ченга и Юн П. Чена.

«Мы сложили антиферромагнетик, скрутили его сам по себе и получили ферромагнетик», — говорит Чен. «Это также яркий пример недавно появившейся области «скрученного» магнетизма или муара в 2D-скрученных материалах, где угол скручивания между двумя слоями обеспечивает мощную ручку настройки и резко меняет свойства материала».

«Для изготовления скрученного двухслойного CrI₃отрываем одну часть бислоя CrI₃«Поверните его и сложите поверх другой части, используя так называемую технику разрыва и сложения», — объясняет Ченг. «Измеряя магнитооптический эффект Керра (MOKE), чувствительный инструмент для исследования магнитного поведения вплоть до нескольких атомных слоев, мы наблюдали сосуществование ферромагнитных и антиферромагнитных порядков, отличительную черту муарового магнетизма, а также продемонстрировали напряжение. магнитное переключение. Такой волновой магнетизм представляет собой новую форму магнетизма, характеризующуюся пространственно изменяющимися ферромагнитными и антиферромагнитными фазами, периодически чередующимися в соответствии с муаровой сверхрешеткой.

До сих пор твисттроника в основном фокусировалась на модификации электронных свойств, таких как скрученный бислой. Графен. Команда Purdue хотела предложить определенную степень свободы в ротации и решила использовать CrI.₃, материал ВДВ в сочетании с антимагнитным слоем. Результат скручивания сложенных друг на друга антимагнитов стал возможным благодаря изготовлению образцов с разными углами скручивания. Другими словами, после изготовления угол скручивания каждого устройства становится постоянным, и затем выполняются измерения MOKE.

Теоретические расчеты для этого эксперимента были выполнены Упадхьяей и его командой. Это обеспечило серьёзную поддержку наблюдениям, сделанным командой Чена.

«Наши теоретические расчеты выявили фазовую диаграмму, богатую нелинейными фазами TA-1DW, TA-2DW, TS-2DW, TS-4DW и т. д.», — говорит Упадхьяя.

Это исследование является частью текущего исследования команды Чена. Эта работа следует за несколькими недавними соответствующими публикациями команды, связанными с новой физикой и свойствами «2D-магнитов», такими как «Возникновение перестраиваемого электрическим полем межфазного ферромагнетизма в 2D магнитных гетероструктурах«, который недавно был опубликован в Природные коммуникации. Это направление исследований имеет захватывающий потенциал в области спинтроники и спинтроники.

«Идентифицированные гофрированные магниты указывают на новый класс материальных платформ для спинтроники и магнитной электроники», — говорит Чен. «Наблюдаемые магнитное переключение с помощью напряжения и электромагнитный эффект могут привести к созданию многообещающих устройств памяти и спиновой логики. В качестве новой степени свободы этот поворот может быть применен к широкому спектру гомо/гетеро-бислоев для магнитов VdW, открывая возможность заниматься новой физикой, а также приложениями спинтроники».

Ссылка: «Электрически перестраиваемый муаровый магнетизм в скрученных двойных бислоях трийодида хрома» Гуанхуи Ченг, Мухаммад Мушфик Рахман, Андрес Льяксауанга Аллка, Авинаш Рустаги, Синтао Лю, Лина Лю, Лэй Фу, Янлинь Чжу, Чжицян Мао, Кенджи Ватанабэ, Такаши Танигучи . , Прами Упадхьяя и Юн Пей Чен, 19 июня 2023 г., Природная электроника.
дои: 10.1038/s41928-023-00978-0

В команду, в основном из Purdue, входят два равноправных ведущих автора: доктор Гуанвей Ченг и Мухаммад Мушфик Рахман. Ченг был постдокторантом в группе доктора Юн-Пея Чена в Университете Пердью, а сейчас является доцентом в Передовом институте исследования материалов (AIMR, где Чен также является главным исследователем) в Университете Тохоку. Мухаммад Мушфик Рахман — аспирант группы доктора Прами Упадхьяи. Чен и Упадхьяя являются авторами этой публикации и профессорами Университета Пердью. Чен — профессор физики и астрономии имени Карла Ларка Горовица, профессор электротехники и вычислительной техники и директор Института квантовой науки и техники Пердью. Упадхьяя — доцент кафедры электротехники и вычислительной техники. В число других членов команды Purdue входят Андрес Лаксауанга Алка (аспирант), доктор Лина Лю (постдок), доктор Ли Фу (постдок) из группы Чена, доктор Авинаш Рустаги (постдок) из группы Упадхьяи и доктор Синтао Лео. (бывший научный сотрудник Центра нанотехнологий Берка).

Эта работа частично поддерживается Управлением науки Министерства энергетики США (DOE) через Центр квантовых наук (QSC, Национальный центр квантовых информационных исследований) и Программу многопрофильных университетских исследовательских инициатив (MURI) Министерства обороны США (FA9550-) 20- 1-0322). Ченг и Чен также получили частичную поддержку от WPI-AIMR, JSPS KAKENHI Basic Science A (18H03858), New Science (18H04473 и 20H04623) и программы FRiD Университета Тохоку на ранних этапах исследования.

Упадхьяя также благодарит Национальный научный фонд (NSF) за поддержку (ECCS-1810494). объемный кри₃ Кристаллы предоставлены группой Чжицян Мао из Университета штата Пенсильвания при поддержке Министерства энергетики США (DE-SC0019068). Объемные кристаллы hBN предоставлены Кенджи Ватанабэ и Такаши Танигучи из Национального института материаловедения, Япония, при поддержке JSPS KAKENHI (номера грантов 20H00354, 21H05233 и 23H02052) и Мирового премьер-центра международных исследовательских инициатив (WPI), MEXT. , Япония.