Penyatuan Twistronics dan Spintronics untuk elektronika tingkat lanjut

Peneliti Universitas Purdue memutar lapisan ganda antiferromagnet untuk menunjukkan magnetisme moiré yang dapat disetel.

Twistronics bukanlah gerakan tarian, peralatan olahraga, atau tren musik baru. Tidak, ini jauh lebih keren dari hal seperti itu. Ini adalah perkembangan baru yang menarik dalam fisika kuantum dan ilmu material di mana material van der Waals ditumpuk berlapis-lapis, seperti lembaran kertas dalam tumpukan yang dapat dengan mudah dipelintir dan diputar namun tetap rata, dan fisikawan kuantum telah menggunakan tumpukan ini. untuk menemukan fenomena kuantum yang menarik.

Dengan menambahkan konsep putaran kuantum dengan lapisan ganda antimagnet, magnetisme moiré dapat dirubah. Hal ini menunjukkan kelas platform material baru untuk langkah selanjutnya dalam spinelektronik: spintronik. Ilmu pengetahuan baru ini dapat menghasilkan perangkat yang menjanjikan untuk memori dan logika putaran, membuka dunia fisika ke jalur baru dengan aplikasi spintronik.

Dengan memutar magnet van der Waals, keadaan magnet nonlinier dengan kemampuan listrik yang besar dapat muncul. Kredit: Ryan Allen, Studio Second Bay

Sebuah tim peneliti fisika kuantum dan material di Universitas Purdue telah memperkenalkan teknik torsi untuk mengontrol derajat kebebasan rotasi menggunakan CrI.₃, bahan van der Waals (vdW) digabungkan dengan interlayer antiferromagnetik, sebagai mediatornya. Mereka menerbitkan temuan mereka, berjudul “Magnet moiré yang dapat disetel secara elektrik dalam lapisan ganda kromium triiodida yang terpelintir,” dalam jurnal Elektronik alam.

“Dalam penelitian ini, kami membuat lapisan ganda CrI yang dipilin₃“Yaitu, bilayer ditambah bilayer dengan sudut bengkok di antaranya,” kata Dr. Guangwei Cheng, salah satu penulis utama publikasi tersebut. “Kami melaporkan magnetisme moiré dengan fase magnetik yang kaya dan kemampuan penyesuaian yang baik dengan metode listrik.”

Struktur supermoiré lapisan ganda bengkok (tDB) CrI3 dan perilaku magnetiknya diselidiki oleh efek Kerr magneto-optik (MOKE). Bagian A di atas menunjukkan diagram skema superlattice bergelombang yang dibuat dengan memutar interlayers. Panel bawah: kotak magnet nonlinier dapat ditampilkan. Bagian B di atas menunjukkan bahwa hasil MOKE menunjukkan koeksistensi tatanan feromagnetik (AFM) dan feromagnetik (FM) dalam “magnet moiré” tDB CrI3 dibandingkan dengan tatanan AFM dalam bilayer CrI3 antiferromagnetik alami. Kredit: Ilustrasi oleh Guanghui Cheng dan Yong P. Chen

“Kami menumpuk antiferromagnet dan memutarnya, dan kami mendapatkan feromagnet,” kata Chen. “Ini juga merupakan contoh mencolok dari wilayah magnetisme ‘twisted’ atau moiré yang baru-baru ini muncul dalam bahan-bahan yang dipelintir 2D, di mana sudut puntiran antara dua lapisan memberikan kenop penyetelan yang kuat dan secara dramatis mengubah sifat material.”

“Untuk pembuatan CrI twisted double layer₃kami merobek satu bagian bilayer CrI₃“Putar dan susun di atas bagian lainnya, menggunakan apa yang disebut teknik sobek dan tumpuk,” jelas Cheng. “Dengan mengukur efek Kerr magneto-optical (MOKE), alat sensitif untuk menyelidiki perilaku magnetik hingga beberapa lapisan atom, kami mengamati koeksistensi tatanan feromagnetik dan antiferromagnetik, ciri khas magnetisme moiré, dan selanjutnya mendemonstrasikan tegangannya. peralihan magnetik. Magnetisme gelombang tersebut adalah bentuk magnet baru yang dicirikan oleh fase feromagnetik dan antiferromagnetik yang bervariasi secara spasial, bergantian secara berkala sesuai dengan superlattice moiré.

Sampai saat ini, twisttronics terutama berfokus pada modifikasi properti elektronik, seperti lapisan ganda yang terpelintir Grafena. Tim Purdue ingin menawarkan kebebasan dalam rotasi dan memilih untuk menggunakan CrI₃, bahan vdW dikombinasikan dengan lapisan antimagnetik. Hasil puntiran dari antimagnet yang ditumpuk itu sendiri dimungkinkan dengan membuat sampel dengan sudut puntir yang berbeda. Dengan kata lain, setelah dibuat, sudut puntir setiap perangkat menjadi konstan, dan pengukuran MOKE kemudian dilakukan.

Perhitungan teoritis percobaan ini dilakukan oleh Upadhyaya dan timnya. Hal ini memberikan dukungan kuat terhadap pengamatan yang dilakukan oleh tim Chen.

“Perhitungan teoritis kami telah mengungkapkan diagram fase yang kaya akan fase nonlinier TA-1DW, TA-2DW, TS-2DW, TS-4DW, dll,” kata Upadhyaya.

Penelitian ini merupakan bagian dari penelitian yang sedang berlangsung oleh tim Chen. Karya ini mengikuti beberapa publikasi relevan terbaru oleh tim terkait dengan fisika dan sifat baru “magnet 2D”, seperti “Munculnya feromagnetisme antarmuka merdu medan listrik dalam heterostruktur magnetik 2D“, yang baru-baru ini diterbitkan di Komunikasi Alam. Jalur penelitian ini memiliki potensi menarik di bidang spintronik dan spintronik.

“Magnet bergelombang yang teridentifikasi menunjukkan kelas baru platform material untuk spintronik dan elektronik magnetik,” kata Chen. “Peralihan magnetik berbantuan tegangan dan efek elektromagnetik yang diamati dapat menghasilkan perangkat memori dan logika putaran yang menjanjikan. Sebagai tingkat kebebasan baru, putaran ini dapat diterapkan pada berbagai lapisan ganda homo/hetero untuk magnet vdW, membuka peluang untuk mengejar fisika baru serta aplikasi spintronik.”

Referensi: “Magnet moiré yang dapat disetel secara elektrik dalam lapisan ganda ganda kromium triiodida” oleh 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 dan Yong Pei Chen, 19 Juni 2023, Elektronik alam.
doi: 10.1038/s41928-023-00978-0

Tim tersebut, sebagian besar dari Purdue, terdiri dari dua penulis utama yang berkontribusi sama: Dr. Guangwei Cheng dan Muhammad Mushfiqur Rahman. Cheng adalah peneliti pascadoktoral di kelompok Dr. Yong-Pei Chen di Universitas Purdue, dan sekarang menjadi asisten profesor di Institut Lanjutan untuk Penelitian Material (AIMR, di mana Chen juga menjadi peneliti utama) di Universitas Tohoku. Muhammad Mushfiqur Rahman adalah mahasiswa PhD di kelompok Dr. Prami Upadhyaya. Chen dan Upadhyaya adalah penulis terkait publikasi ini dan merupakan profesor di Universitas Purdue. Chen adalah Profesor Fisika dan Astronomi Carl Lark Horowitz, profesor teknik elektro dan komputer, dan direktur Institut Sains dan Teknik Kuantum Purdue. Upadhyaya adalah asisten profesor teknik elektro dan komputer. Anggota tim Purdue lainnya termasuk Andres Laxahuanga Alka (mahasiswa PhD), Dr. Lina Liu (postdoc), Dr. Li Fu (postdoc) dari kelompok Chen, Dr. Avinash Rustagi (postdoc) dari kelompok Upadhyaya dan Dr. (mantan asisten peneliti di Burke Center for Nanotechnology).

Pekerjaan ini sebagian didukung oleh Kantor Sains Departemen Energi AS (DOE) melalui Quantum Science Center (QSC, National Quantum Information Science Research Center) dan Program Inisiatif Penelitian Universitas Multidisiplin (MURI) Departemen Pertahanan (FA9550-) 20- 1 -0322). Cheng dan Chen juga mendapat dukungan parsial dari WPI-AIMR, JSPS KAKENHI Basic Science A (18H03858), New Science (18H04473 dan 20H04623), dan Program FRiD Universitas Tohoku pada tahap awal penelitian.

Upadhyaya juga berterima kasih atas dukungan dari National Science Foundation (NSF) (ECCS-1810494). cree massal₃ Kristal disediakan oleh kelompok Zhiqiang Mao dari Universitas Negeri Pennsylvania dengan dukungan dari Departemen Energi AS (DE-SC0019068). Kristal hBN massal disediakan oleh Kenji Watanabe dan Takashi Taniguchi dari National Institute of Materials Science, Jepang, dengan dukungan dari JSPS KAKENHI (nomor hibah 20H00354, 21H05233, dan 23H02052) dan World Premier Center for International Research Initiative (WPI), MEXT , Jepang.