Unificação de Twistronics e Spintronics para eletrônica avançada

Pesquisadores da Purdue University giram bicamadas duplas de antiferromagnetos para demonstrar magnetismo moiré sintonizável.

Twistronics não é um novo movimento de dança, equipamento de exercício ou moda musical. Não, é muito mais legal do que qualquer coisa assim. É um novo desenvolvimento emocionante na física quântica e na ciência dos materiais, onde os materiais de van der Waals são empilhados uns sobre os outros em camadas, como folhas de papel em uma pilha que podem facilmente torcer e girar enquanto permanecem planas, e os físicos quânticos usaram essas pilhas para descobrir fenômenos quânticos interessantes.

Ao adicionar o conceito de spin quântico com bicamadas torcidas de antiímãs, é possível ter magnetismo moiré ajustável. Isto sugere uma nova classe de plataformas materiais para o próximo passo na espineeletrônica: a spintrônica. Esta nova ciência poderá levar a dispositivos promissores para memória e lógica de spin, abrindo o mundo da física para um caminho totalmente novo com aplicações de spintrônica.

Ao torcer os ímãs de van der Waals, podem surgir estados magnéticos não lineares com grande sintonização elétrica. Crédito: Ryan Allen, Second Bay Studios

Uma equipe de pesquisadores em física quântica e materiais da Purdue University introduziu uma técnica de torção para controlar o grau de liberdade de rotação usando CrI.₃, um material van der Waals (vdW) acoplado à camada intermediária antiferromagnética, como seu mediador. Eles publicaram suas descobertas, intituladas “Magnetismo moiré eletricamente sintonizável em bicamadas duplas torcidas de triiodeto de cromo”, na revista Eletrônica da natureza.

“Neste estudo, fabricamos uma camada dupla torcida de CrI₃“Ou seja, uma bicamada mais uma bicamada com um ângulo torcido entre elas”, diz o Dr. Guangwei Cheng, co-autor principal da publicação. “Relatamos magnetismo moiré com fases magnéticas ricas e grande sintonização pelo método elétrico.”

A estrutura supermoiré da camada dupla torcida (tDB) CrI3 e seus comportamentos magnéticos investigados pelo efeito Kerr magneto-óptico (MOKE). A seção A acima mostra o diagrama esquemático da superrede corrugada fabricada pela torção das camadas intermediárias. Painel inferior: uma caixa magnética não linear pode ser mostrada. A seção B acima mostra que os resultados do MOKE demonstram a coexistência de ordens ferromagnéticas (AFM) e ferromagnéticas (FM) em um “ímã moiré” tDB CrI3 em comparação com ordens AFM em uma bicamada CrI3 antiferromagnética natural. Crédito: Ilustração de Guanghui Cheng e Yong P. Chen

“Empilhamos um antiferromagneto e o torcemos sobre si mesmo, e obtivemos um ferromagneto”, diz Chen. “Este também é um exemplo impressionante da região recentemente emergente de magnetismo ‘torcido’ ou moiré em materiais torcidos 2D, onde o ângulo de torção entre as duas camadas fornece um poderoso botão de sintonia e altera drasticamente a propriedade do material.”

“Para a fabricação de CrI de dupla camada torcida₃arrancamos uma parte da bicamada CrI₃“Gire-o e empilhe-o em cima da outra peça, usando o que é chamado de técnica de rasgar e empilhar”, explica Cheng. “Ao medir o efeito Kerr magneto-óptico (MOKE), uma ferramenta sensível para sondar o comportamento magnético até algumas camadas atômicas, observamos a coexistência de ordens ferromagnéticas e antiferromagnéticas, a marca registrada do magnetismo moiré, e demonstramos ainda mais a tensão. comutação magnética. Esse magnetismo de onda é uma nova forma de magnetismo caracterizada por fases ferromagnéticas e antiferromagnéticas espacialmente variadas, alternando periodicamente de acordo com a superrede moiré.

Até este ponto, a twisttronics concentrou-se principalmente na modificação de propriedades eletrônicas, como a bicamada torcida Grafeno. A equipe Purdue queria oferecer um grau de liberdade na rotação e optou por usar CrI₃, material vdW combinado com uma camada antimagnética. O resultado de torção de antiímãs empilhados sobre si mesmos é possível pela fabricação de amostras com diferentes ângulos de torção. Em outras palavras, uma vez fabricado, o ângulo de torção de cada dispositivo torna-se constante e as medições MOKE são então realizadas.

Os cálculos teóricos para este experimento foram realizados por Upadhyaya e sua equipe. Isto forneceu um forte apoio às observações feitas pela equipe de Chen.

“Nossos cálculos teóricos revelaram um diagrama de fases rico em fases não lineares de TA-1DW, TA-2DW, TS-2DW, TS-4DW, etc.”, diz Upadhyaya.

Esta pesquisa faz parte de uma pesquisa em andamento pela equipe de Chen. Este trabalho segue várias publicações recentes relevantes da equipe relacionadas à nova física e propriedades dos “ímãs 2D”, como “Emergência de ferromagnetismo interfacial sintonizável por campo elétrico em heteroestruturas magnéticas 2D“, publicado recentemente em Comunicações da Natureza. Esta via de pesquisa tem um potencial interessante no campo da spintrônica e da spintrônica.

“Os ímãs corrugados identificados apontam para uma nova classe de plataformas de materiais para spintrônica e eletrônica magnética”, diz Chen. “A comutação magnética assistida por tensão e o efeito eletromagnético observados podem levar a dispositivos promissores de memória e lógica de spin. Como um novo grau de liberdade, essa torção pode ser aplicada a uma ampla gama de bicamadas homo/hetero para ímãs vdW, abrindo a oportunidade para buscar novas aplicações de física, bem como de spintrônica.”

Referência: “Magnetismo moiré eletricamente ajustável em bicamadas duplas torcidas de triiodeto de cromo” por 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 de junho de 2023, Eletrônica da natureza.
doi: 10.1038/s41928-023-00978-0

A equipe, principalmente de Purdue, inclui dois autores principais com contribuições iguais: Dr. Guangwei Cheng e Muhammad Mushfiqur Rahman. Cheng foi pesquisador de pós-doutorado no grupo do Dr. Yong-Pei Chen na Purdue University, e agora é professor assistente no Instituto Avançado de Pesquisa de Materiais (AIMR, onde Chen também é investigador principal) na Universidade de Tohoku. Muhammad Mushfiqur Rahman é estudante de doutorado no grupo do Dr. Prami Upadhyaya. Chen e Upadhyaya são autores correspondentes desta publicação e professores da Purdue University. Chen é professor de Física e Astronomia Carl Lark Horowitz, professor de engenharia elétrica e de computação e diretor do Instituto Purdue de Ciência e Engenharia Quântica. Upadhyaya é professor assistente de engenharia elétrica e de computação. Outros membros da equipe Purdue incluem Andres Laxahuanga Alka (aluno de doutorado), Dra. Lina Liu (pós-doutorado), Dr. Li Fu (pós-doutorado) do grupo de Chen, Dr. (ex-assistente de pesquisa do Burke Center for Nanotechnology).

Este trabalho é apoiado em parte pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA (DOE) por meio do Quantum Science Center (QSC, National Quantum Information Science Research Center) e do Programa de Iniciativas de Pesquisa Universitária Multidisciplinar do DoD (MURI) (FA9550-) 20- 1-0322). Cheng e Chen também receberam apoio parcial do WPI-AIMR, JSPS KAKENHI Basic Science A (18H03858), New Science (18H04473 e 20H04623) e do Programa FRiD da Universidade de Tohoku nos estágios iniciais da pesquisa.

Upadhyaya também reconhece o apoio da National Science Foundation (NSF) (ECCS-1810494). cree a granel₃ Os cristais são fornecidos pelo grupo Zhiqiang Mao da Universidade Estadual da Pensilvânia com o apoio do Departamento de Energia dos EUA (DE-SC0019068). Cristais hBN em massa são fornecidos por Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi do Instituto Nacional de Ciência de Materiais, Japão, com o apoio de JSPS KAKENHI (números de concessão 20H00354, 21H05233 e 23H02052) e do World Premier Center for International Research Initiative (WPI), MEXT , Japão.