Unificazione di Twistronics e Spintronics per l'elettronica avanzata

I ricercatori della Purdue University ruotano doppi strati di antiferromagneti per dimostrare il magnetismo moiré sintonizzabile.

Twistronics non è un nuovo passo di danza, un'attrezzatura sportiva o una moda musicale. No, è molto più bello di qualcosa del genere. Si tratta di un nuovo entusiasmante sviluppo nella fisica quantistica e nella scienza dei materiali in cui i materiali di van der Waals sono impilati uno sopra l'altro in strati, come fogli di carta in una pila che possono facilmente torcersi e girare rimanendo piatti, e i fisici quantistici hanno utilizzato queste pile per scoprire interessanti fenomeni quantistici.

Aggiungendo il concetto di spin quantistico con doppi strati ritorti di antimagneti, è possibile avere un magnetismo moiré sintonizzabile. Ciò suggerisce una nuova classe di piattaforme materiali per il prossimo passo nella spinelettronica: la spintronica. Questa nuova scienza potrebbe portare a dispositivi promettenti per la memoria e la logica dello spin, aprendo il mondo della fisica a un percorso completamente nuovo con le applicazioni della spintronica.

Torcendo i magneti di van der Waals, possono emergere stati magnetici non lineari con grande sintonizzabilità elettrica. Credito: Ryan Allen, Second Bay Studios

Un team di ricercatori di fisica quantistica e materiali della Purdue University ha introdotto una tecnica di torsione per controllare il grado di libertà di rotazione utilizzando CrI.₃, un materiale di van der Waals (vdW) accoppiato all'interstrato antiferromagnetico, come suo mediatore. Hanno pubblicato le loro scoperte, intitolate “Magnetismo moiré sintonizzabile elettricamente in doppi strati intrecciati di triioduro di cromo”, sulla rivista Elettronica della natura.

“In questo studio, abbiamo fabbricato un doppio strato attorcigliato di CrI₃“Cioè, un doppio strato più un doppio strato con un angolo ritorto in mezzo”, afferma il dottor Guangwei Cheng, co-autore principale della pubblicazione. “Segnaliamo un magnetismo moiré con ricche fasi magnetiche e grande accordabilità con il metodo elettrico.”

La struttura supermoiré del doppio strato twistato (tDB) CrI3 e i suoi comportamenti magnetici studiati mediante l'effetto Kerr magneto-ottico (MOKE). La sezione A sopra mostra il diagramma schematico del superreticolo ondulato fabbricato torcendo gli interstrati. Pannello inferiore: può essere mostrato un caso magnetico non lineare. La sezione B sopra mostra che i risultati MOKE dimostrano la coesistenza di ordini ferromagnetici (AFM) e ferromagnetici (FM) in un “magnete moiré” tDB CrI3 rispetto agli ordini AFM in un doppio strato antiferromagnetico CrI3 naturale. Crediti: Illustrazione di Guanghui Cheng e Yong P. Chen

“Abbiamo impilato un antiferromagnete e lo abbiamo attorcigliato su se stesso, e abbiamo ottenuto un ferromagnete”, dice Chen. “Questo è anche un esempio lampante della regione recentemente emergente del magnetismo “contorto” o moiré nei materiali ritorti 2D, dove l’angolo di torsione tra i due strati fornisce una potente manopola di sintonia e cambia radicalmente la proprietà del materiale.”

“Per la fabbricazione di doppio strato ritorto CrI₃strappiamo una parte del doppio strato CrI₃“Ruotalo e impilalo sopra l'altra parte, usando quella che viene chiamata la tecnica dello strappo e dell'impilamento”, spiega Cheng. “Misurando l’effetto Kerr magneto-ottico (MOKE), uno strumento sensibile per sondare il comportamento magnetico fino a pochi strati atomici, abbiamo osservato la coesistenza di ordini ferromagnetici e antiferromagnetici, il segno distintivo del magnetismo moiré, e abbiamo ulteriormente dimostrato la tensione. commutazione magnetica.Tale magnetismo ondulatorio è una nuova forma di magnetismo caratterizzata da fasi ferromagnetiche e antiferromagnetiche spazialmente variabili, che si alternano periodicamente secondo il superreticolo moiré.

Finora, twisttronics si è concentrata principalmente sulla modifica delle proprietà elettroniche, come il doppio strato ritorto Grafene. Il team Purdue desiderava offrire un certo grado di libertà nella rotazione e ha scelto di utilizzare CrI₃, materiale vdW combinato con uno strato antimagnetico. Il risultato della torsione degli antimagneti impilati su se stessi è reso possibile fabbricando campioni con diversi angoli di torsione. In altre parole, una volta fabbricato, l'angolo di torsione di ciascun dispositivo diventa costante e vengono quindi eseguite le misurazioni MOKE.

I calcoli teorici per questo esperimento sono stati eseguiti da Upadhyaya e dal suo team. Ciò ha fornito un forte sostegno alle osservazioni fatte dal team di Chen.

“I nostri calcoli teorici hanno rivelato un diagramma di fase ricco di fasi non lineari di TA-1DW, TA-2DW, TS-2DW, TS-4DW, ecc.”, afferma Upadhyaya.

Questa ricerca fa parte della ricerca in corso da parte del team di Chen. Questo lavoro segue diverse recenti pubblicazioni rilevanti del team relative alla nuova fisica e proprietà dei “magneti 2D”, come “Emersione di ferromagnetismo interfacciale sintonizzabile dal campo elettrico in eterostrutture magnetiche 2D“, recentemente pubblicato in Comunicazioni sulla natura. Questo percorso di ricerca ha un potenziale entusiasmante nel campo della spintronica e della spintronica.

“I magneti ondulati identificati indicano una nuova classe di piattaforme materiali per la spintronica e l’elettronica magnetica”, afferma Chen. “La commutazione magnetica assistita da tensione e l'effetto elettromagnetico osservati possono portare a promettenti dispositivi di memoria e logica di spin. Come nuovo grado di libertà, questa svolta può essere applicata a un'ampia gamma di doppi strati omo/etero per magneti vdW, aprendo l'opportunità di perseguire nuove applicazioni fisiche e spintroniche.”

Riferimento: “Magnetismo moiré sintonizzabile elettricamente in doppi strati intrecciati di triioduro di cromo” di 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 e Yong Pei Chen, 19 giugno 2023, Elettronica della natura.
doi: 10.1038/s41928-023-00978-0

Il team, per lo più proveniente da Purdue, comprende due autori principali che contribuiscono allo stesso modo: il dottor Guangwei Cheng e Muhammad Mushfiqur Rahman. Cheng è stato ricercatore post-dottorato nel gruppo del dottor Yong-Pei Chen presso la Purdue University, ed è ora professore assistente presso l'Istituto avanzato per la ricerca sui materiali (AIMR, dove Chen è anche ricercatore principale) presso l'Università di Tohoku. Muhammad Mushfiqur Rahman è uno studente di dottorato nel gruppo del Dr. Prami Upadhyaya. Chen e Upadhyaya sono autori corrispondenti di questa pubblicazione e sono professori alla Purdue University. Chen è il professore di fisica e astronomia di Carl Lark Horowitz, professore di ingegneria elettrica e informatica e direttore del Purdue Institute for Quantum Science and Engineering. Upadhyaya è un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica. Altri membri del team Purdue includono Andres Laxahuanga Alka (studente di dottorato), la dottoressa Lina Liu (postdoc), il dottor Li Fu (postdoc) del gruppo di Chen, il dottor Avinash Rustagi (postdoc) del gruppo di Upadhyaya e il dottor Xingtao Leo. (ex assistente di ricerca presso il Burke Center for Nanotechnology).

Questo lavoro è supportato in parte dall'Ufficio della scienza del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) attraverso il Quantum Science Center (QSC, National Quantum Information Science Research Center) e il programma DoD Multidisciplinary University Research Initiatives (MURI) (FA9550-) 20- 1-0322). Cheng e Chen hanno anche ricevuto un supporto parziale da WPI-AIMR, JSPS KAKENHI Basic Science A (18H03858), New Science (18H04473 e 20H04623) e dal programma FRiD dell'Università di Tohoku nelle prime fasi della ricerca.

Upadhyaya riconosce anche il sostegno della National Science Foundation (NSF) (ECCS-1810494). cree sfuso₃ I cristalli sono forniti dal gruppo Zhiqiang Mao della Pennsylvania State University con il sostegno del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DE-SC0019068). I cristalli hBN sfusi sono forniti da Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi del National Institute of Materials Science, Giappone, con il supporto di JSPS KAKENHI (numeri di sovvenzione 20H00354, 21H05233 e 23H02052) e del World Premier Center for International Research Initiative (WPI), MEXT , Giappone.