A Twistronics és Spintronics egyesítése a fejlett elektronika számára

A Purdue Egyetem kutatói kettős antiferromágneses kettős réteget forgatnak a hangolható moaré mágnesesség bemutatására.

A Twistronics nem új tánclépés, edzőeszköz vagy zenei divat. Nem, sokkal menőbb, mint bármi ilyesmi. Ez egy izgalmas új fejlesztés a kvantumfizikában és az anyagtudományban, ahol a van der Waals-anyagok rétegesen egymásra vannak halmozva, mint a papírlapok egy kötegben, amely könnyen csavarodhat és elfordulhat, miközben lapos marad, és a kvantumfizikusok használták ezeket a kötegeket. érdekes kvantumjelenségeket felfedezni.

Ha hozzáadjuk a kvantum spin fogalmát csavart kettős antimágnesrétegekkel, akkor hangolható moaré mágnesesség érhető el. Ez az anyagplatformok új osztályát sugallja a spinelektronika következő lépéséhez: a spintronikához. Ez az új tudomány ígéretes memória- és spin-logikai eszközökhöz vezethet, amelyek a fizika világát egy teljesen új útra nyitják a spintronikai alkalmazásokkal.

A van der Waals mágnesek elcsavarásával nemlineáris mágneses állapotok alakulhatnak ki, amelyek nagy elektromos hangolhatósággal rendelkeznek. Köszönetnyilvánítás: Ryan Allen, Second Bay Studios

A Purdue Egyetem kvantumfizikával és anyagokkal foglalkozó kutatócsoportja egy torziós technikát vezetett be a forgási szabadság fokának szabályozására a CrI segítségével.₃, egy van der Waals (vdW) anyag, amely közvetítőjeként az antiferromágneses közbenső réteghez kapcsolódik. Megállapításaikat „Elektromosan hangolható moaré mágnesesség csavart kettős króm-trijodid kettős rétegében” címmel publikálták a folyóiratban. Természet elektronika.

„Ebben a tanulmányban egy csavart kettős CrI réteget állítottunk elő₃„Azaz egy kettős réteg plusz egy kettős réteg csavart szöggel” – mondja Dr. Guangwei Cheng, a kiadvány társszerzője. „Beszámolunk a moaré mágnesességről gazdag mágneses fázisokkal és elektromos módszerrel kiváló hangolhatósággal.”

A csavart kettős rétegű (tDB) CrI3 szupermoiré szerkezetét és mágneses viselkedését a magneto-optikai Kerr-effektus (MOKE) segítségével vizsgáltuk. A fenti A szakasz a közbenső rétegek csavarásával előállított hullámos szuperrács sematikus diagramját mutatja. Alsó panel: egy nemlineáris mágneses tokot lehet bemutatni. A fenti B. rész azt mutatja, hogy a MOKE eredmények a ferromágneses (AFM) és ferromágneses (FM) sorrendek együttélését mutatják egy tDB CrI3 „moaré mágnesben”, összehasonlítva az AFM sorrendekkel egy természetes antiferromágneses CrI3 kettősrétegben. Köszönetnyilvánítás: Guanghui Cheng és Yong P. Chen illusztrációja

„Egymásba raktunk egy antiferromágnest, és magára csavartuk, és kaptunk egy ferromágnest” – mondja Chen. „Ez is egy feltűnő példa a közelmúltban kialakult „csavart” mágnesesség vagy moaré régióra a 2D-s csavart anyagokban, ahol a két réteg közötti csavarási szög erőteljes hangológombot biztosít, és drámai módon megváltoztatja az anyag tulajdonságait.”

„Sodort kétrétegű CrI gyártásához₃letépjük a CrI kettősréteg egy részét₃„Forgassa el, és helyezze a másik rész tetejére, az úgynevezett letépés és halmozás technikával” – magyarázza Cheng. „A magneto-optikai Kerr-effektus (MOKE) mérésével, amely érzékeny eszköz a mágneses viselkedés néhány atomi rétegig történő vizsgálatára, megfigyeltük a ferromágneses és antiferromágneses rendek együttélését, ami a moaré mágnesesség jellemzője, és tovább demonstráltuk a feszültséget. mágneses kapcsolás.Az ilyen hullámmágnesesség a mágnesesség egy új formája, amelyet térben változó ferromágneses és antiferromágneses fázisok jellemeznek, periodikusan váltakozva a moaré szuperrács szerint.

Eddig a twisttronics elsősorban az elektronikus tulajdonságok, például a csavart kettős réteg módosítására összpontosított. Grafén. A Purdue csapata bizonyos fokú szabadságot akart kínálni a forgásban, és a CrI használata mellett döntött₃, vdW anyag antimágneses réteggel kombinálva. Az egymásra rakott antimágnesek önmagukra csavarodását különböző csavarási szögű minták gyártása teszi lehetővé. Más szavakkal, a gyártást követően az egyes eszközök torziós szöge állandóvá válik, és ezután MOKE méréseket hajtanak végre.

A kísérlet elméleti számításait Upadhyaya és csapata végezte. Ez határozottan alátámasztotta Chen csapatának megfigyeléseit.

„Elméleti számításaink feltártak egy fázisdiagramot, amely gazdag a TA-1DW, TA-2DW, TS-2DW, TS-4DW stb. nemlineáris fázisaiban” – mondja Upadhyaya.

Ez a kutatás Chen csapata folyamatban lévő kutatásának része. Ez a munka a csapat több, a „2D mágnesek” új fizikájával és tulajdonságaival kapcsolatos közelmúltbeli releváns publikációját követi, mint például „Elektromos térrel hangolható határfelületi ferromágnesesség megjelenése 2D mágneses heterostruktúrákban„, amely nemrégiben jelent meg Nature Communications. Ez a kutatási út izgalmas lehetőségeket rejt magában a spintronika és a spintronika területén.

„Az azonosított hullámos mágnesek a spintronika és a mágneses elektronika anyagplatformjainak új osztályára utalnak” – mondja Chen. „A megfigyelt feszültség-rásegített mágneses kapcsolás és elektromágneses hatás ígéretes memória- és spinlogikai eszközökhöz vezethet. A szabadság új fokaként ez a csavar a vdW mágnesek homo/hetero kettősrétegeinek széles skálájára alkalmazható, lehetőséget adva új fizikai és spintronikai alkalmazásokat folytatni.”

Hivatkozás: „Elektromosan hangolható moaré mágnesesség csavart kettős króm-trijodid kettős rétegben”, Guanghui Cheng, Muhammad Mushfiqur Rahman, Andres Llacsahuanga Allcca, Avinash Rustagi, Xingtao Liu, Lina Liu, Lei Fu, Yanglin Tabe Tabe Waji Zhi, Zhi . , Prami Upadhyaya és Yong Pei Chen, 2023. június 19., Természet elektronika.
doi: 10.1038/s41928-023-00978-0

A főként purdue-i csapatban két egyformán közreműködő vezető szerző található: Dr. Guangwei Cheng és Muhammad Mushfiqur Rahman. Cheng Dr. Yong-Pei Chen csoportjának posztdoktori kutatója volt a Purdue Egyetemen, jelenleg pedig adjunktus a Tohoku Egyetem Advanced Institute for Materials Research-ben (AIMR, ahol Chen egyben vezető kutató is). Muhammad Mushfiqur Rahman doktorandusz Dr. Prami Upadhyaya csoportjában. Chen és Upadhyaya a kiadvány megfelelő szerzői, és a Purdue Egyetem professzorai. Chen Carl Lark Horowitz fizika és csillagászat professzora, az elektromos és számítástechnika professzora, valamint a Purdue Institute for Quantum Science and Engineering igazgatója. Upadhyaya az elektromos és számítástechnikai mérnök adjunktusa. A Purdue csapat további tagjai közé tartozik Andres Laxahuanga Alka (PhD-hallgató), Dr. Lina Liu (posztdoc), Dr. Li Fu (posztdoc) Chen csoportjából, Dr. Avinash Rustagi (posztdoc) Upadhyaya csoportjából és Dr. Xingtao Leo. (a Burke Nanotechnológiai Központ korábbi kutatási asszisztense).

Ezt a munkát részben az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának (DOE) Tudományos Hivatala támogatja a Quantum Science Center (QSC, National Quantum Information Science Research Center) és a DoD Multidiszciplináris Egyetemi Kutatási Kezdeményezések (MURI) programja (FA9550-) 20-án keresztül. 1-0322). Cheng és Chen részleges támogatást is kapott a WPI-AIMR-től, a JSPS KAKENHI Basic Science A-tól (18H03858), a New Science-től (18H04473 és 20H04623), valamint a Tohoku Egyetem FRiD Programjától a kutatás korai szakaszában.

Upadhyaya elismeri a National Science Foundation (NSF) (ECCS-1810494) támogatását is. ömlesztett cree₃ A kristályokat a Pennsylvaniai Állami Egyetem Zhiqiang Mao csoportja biztosítja az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának támogatásával (DE-SC0019068). A tömeges hBN kristályokat Kenji Watanabe és Takashi Taniguchi a japán Nemzeti Anyagtudományi Intézettől biztosítják a JSPS KAKENHI (20H00354, 21H05233 és 23H02052 támogatási számok), valamint a World Premier Center for International Research Initiative (WPI) támogatásával. , Japán.