Vereinheitlichung von Twistronik und Spintronik für fortgeschrittene Elektronik

Forscher der Purdue University spinnen doppelte Doppelschichten aus Antiferromagneten, um abstimmbaren Moiré-Magnetismus zu demonstrieren.

Twisttronics ist keine neue Tanzbewegung, kein neues Trainingsgerät oder keine neue Musik-Modeerscheinung. Nein, es ist viel cooler als so etwas. Es handelt sich um eine aufregende neue Entwicklung in der Quantenphysik und Materialwissenschaft, bei der Van-der-Waals-Materialien in Schichten übereinander gestapelt werden, wie Papierbögen in einem Stapel, die sich leicht drehen und wenden lassen, während sie flach bleiben, und Quantenphysiker haben diese Stapel verwendet interessante Quantenphänomene zu entdecken.

Durch die Hinzufügung des Konzepts des Quantenspins mit verdrillten Doppelschichten aus Antimagneten ist es möglich, einen abstimmbaren Moiré-Magnetismus zu erhalten. Dies deutet auf eine neue Klasse von Materialplattformen für den nächsten Schritt in der Spinelektronik hin: Spintronik. Diese neue Wissenschaft könnte zu vielversprechenden Geräten für Speicher und Spinlogik führen und der Welt der Physik mit Spintronikanwendungen völlig neue Wege eröffnen.

Durch Verdrehen von Van-der-Waals-Magneten können nichtlineare magnetische Zustände mit großer elektrischer Abstimmbarkeit entstehen. Bildnachweis: Ryan Allen, Second Bay Studios

Ein Forscherteam aus Quantenphysik und Materialien an der Purdue University hat eine Torsionstechnik eingeführt, um den Grad der Rotationsfreiheit mithilfe von CrI zu steuern.₃, ein an die antiferromagnetische Zwischenschicht gekoppeltes Van-der-Waals-Material (vdW) als Mediator. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse mit dem Titel „Elektrisch abstimmbarer Moiré-Magnetismus in verdrehten Doppelbischichten aus Chromtriiodid“ in der Zeitschrift Naturelektronik.

„In dieser Studie haben wir eine verdrehte Doppelschicht aus CrI hergestellt₃„Das heißt, eine Doppelschicht plus eine Doppelschicht mit einem verdrehten Winkel dazwischen“, sagt Dr. Guangwei Cheng, Co-Hauptautor der Veröffentlichung. „Wir berichten über Moiré-Magnetismus mit reichen magnetischen Phasen und großer Abstimmbarkeit durch die elektrische Methode.“

Die Supermoiré-Struktur der verdrillten Doppelschicht (tDB) CrI3 und ihr magnetisches Verhalten, untersucht durch den magnetooptischen Kerr-Effekt (MOKE). Abschnitt A oben zeigt das schematische Diagramm des gewellten Übergitters, das durch Verdrehen der Zwischenschichten hergestellt wird. Unteres Feld: Es kann ein nichtlinearer magnetischer Fall dargestellt werden. Abschnitt B oben zeigt, dass die MOKE-Ergebnisse die Koexistenz ferromagnetischer (AFM) und ferromagnetischer (FM) Ordnungen in einem tDB-CrI3-„Moiré-Magneten“ im Vergleich zu AFM-Ordnungen in einer natürlichen antiferromagnetischen CrI3-Doppelschicht zeigen. Bildnachweis: Illustration von Guanghui Cheng und Yong P. Chen

„Wir haben einen Antiferromagneten gestapelt und um sich selbst gedreht, und wir haben einen Ferromagneten erhalten“, sagt Chen. „Dies ist auch ein eindrucksvolles Beispiel für den kürzlich aufkommenden Bereich des ‚verdrehten‘ Magnetismus oder Moiré in zweidimensional verdrehten Materialien, bei dem der Verdrehungswinkel zwischen den beiden Schichten einen starken Einstellknopf darstellt und die Materialeigenschaft dramatisch verändert.“

„Zur Herstellung von verdrilltem Doppelschicht-CrI₃wir reißen einen Teil der CrI-Doppelschicht ab₃„Drehen Sie es und stapeln Sie es mit der sogenannten Tear-and-Stack-Technik auf das andere Teil“, erklärt Cheng. „Durch die Messung des magnetooptischen Kerr-Effekts (MOKE), einem empfindlichen Werkzeug zur Untersuchung des magnetischen Verhaltens bis hin zu einigen Atomschichten, beobachteten wir die Koexistenz ferromagnetischer und antiferromagnetischer Ordnungen, das Kennzeichen des Moiré-Magnetismus, und demonstrierten außerdem die Spannung magnetisches Schalten. Ein solcher Wellenmagnetismus ist eine neue Form des Magnetismus, der durch räumlich variierende ferromagnetische und antiferromagnetische Phasen gekennzeichnet ist, die sich entsprechend dem Moiré-Übergitter periodisch abwechseln.

Bisher konzentrierte sich Twisttronics hauptsächlich auf die Modifizierung elektronischer Eigenschaften, beispielsweise der verdrillten Doppelschicht Graphen. Das Purdue-Team wollte ein gewisses Maß an Rotationsfreiheit bieten und entschied sich für die Verwendung von CrI₃, vdW-Material kombiniert mit einer antimagnetischen Schicht. Das Verdrehungsergebnis gestapelter Antimagnete um sich selbst wird durch die Herstellung von Proben mit unterschiedlichen Verdrehungswinkeln ermöglicht. Mit anderen Worten: Nach der Herstellung wird der Torsionswinkel jedes Geräts konstant und es werden dann MOKE-Messungen durchgeführt.

Die theoretischen Berechnungen für dieses Experiment wurden von Upadhyaya und seinem Team durchgeführt. Dies war eine starke Stütze für die Beobachtungen von Chens Team.

„Unsere theoretischen Berechnungen haben ein Phasendiagramm ergeben, das reich an nichtlinearen Phasen von TA-1DW, TA-2DW, TS-2DW, TS-4DW usw. ist“, sagt Upadhyaya.

Diese Forschung ist Teil der laufenden Forschung von Chens Team. Diese Arbeit folgt auf mehrere aktuelle relevante Veröffentlichungen des Teams im Zusammenhang mit der neuen Physik und den Eigenschaften von „2D-Magneten“, wie zum Beispiel „Entstehung eines durch ein elektrisches Feld abstimmbaren Grenzflächenferromagnetismus in zweidimensionalen magnetischen Heterostrukturen„, das kürzlich in veröffentlicht wurde Naturkommunikation. Dieser Forschungsweg bietet spannendes Potenzial im Bereich Spintronik und Spintronik.

„Die identifizierten Wellmagnete weisen auf eine neue Klasse von Materialplattformen für Spintronik und magnetische Elektronik hin“, sagt Chen. „Das beobachtete spannungsunterstützte magnetische Schalten und der elektromagnetische Effekt können zu vielversprechenden Speicher- und Spinlogikgeräten führen. Als neuer Freiheitsgrad kann diese Drehung auf eine breite Palette von Homo-/Hetero-Doppelschichten für vdW-Magnete angewendet werden, was die Möglichkeit eröffnet neue physikalische und spintronische Anwendungen verfolgen.“

Referenz: „Elektrisch abstimmbarer Moiré-Magnetismus in verdrehten Doppelschichten aus Chromtriiodid“ von 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 und Yong Pei Chen, 19. Juni 2023, Naturelektronik.
doi: 10.1038/s41928-023-00978-0

Das Team, hauptsächlich aus Purdue, besteht aus zwei gleichberechtigten Hauptautoren: Dr. Guangwei Cheng und Muhammad Mushfiqur Rahman. Cheng war Postdoktorand in der Gruppe von Dr. Yong-Pei Chen an der Purdue University und ist jetzt Assistenzprofessor am Advanced Institute for Materials Research (AIMR, wo Chen auch als Hauptforscher tätig ist) an der Tohoku University. Muhammad Mushfiqur Rahman ist Doktorand in der Gruppe von Dr. Prami Upadhyaya. Chen und Upadhyaya sind korrespondierende Autoren dieser Veröffentlichung und Professoren an der Purdue University. Chen ist Carl-Lark-Horowitz-Professor für Physik und Astronomie, Professor für Elektro- und Computertechnik und Direktor des Purdue Institute for Quantum Science and Engineering. Upadhyaya ist Assistenzprofessor für Elektrotechnik und Computertechnik. Weitere Mitglieder des Purdue-Teams sind Andres Laxahuanga Alka (Doktorand), Dr. Lina Liu (Postdoc), Dr. Li Fu (Postdoc) aus Chens Gruppe, Dr. Avinash Rustagi (Postdoc) aus Upadhyayas Gruppe und Dr. Xingtao Leo. (ehemaliger Forschungsassistent am Burke Center for Nanotechnology).

Diese Arbeit wird teilweise vom Office of Science des US-Energieministeriums (DOE) durch das Quantum Science Center (QSC, National Quantum Information Science Research Center) und das DoD Multidisciplinary University Research Initiatives (MURI) Program (FA9550-) unterstützt. 1 -0322). Cheng und Chen erhielten in den frühen Phasen der Forschung auch teilweise Unterstützung von WPI-AIMR, JSPS KAKENHI Basic Science A (18H03858), New Science (18H04473 und 20H04623) und dem FRiD-Programm der Universität Tohoku.

Upadhyaya dankt außerdem der National Science Foundation (NSF) für ihre Unterstützung (ECCS-1810494). Massen-Cree₃ Kristalle werden von der Zhiqiang Mao-Gruppe der Pennsylvania State University mit Unterstützung des US-Energieministeriums (DE-SC0019068) bereitgestellt. Bulk-hBN-Kristalle werden von Kenji Watanabe und Takashi Taniguchi vom National Institute of Materials Science, Japan, mit Unterstützung von JSPS KAKENHI (Fördernummern 20H00354, 21H05233 und 23H02052) und dem World Premier Center for International Research Initiative (WPI), MEXT, bereitgestellt , Japan.