Unification de la Twistronique et de la Spintronique pour l'électronique avancée

Des chercheurs de l'Université Purdue font tourner des doubles bicouches d'antiferromagnétiques pour démontrer le magnétisme du moiré accordable.

Twistronics n’est pas un nouveau mouvement de danse, un équipement d’exercice ou une mode musicale. Non, c'est bien plus cool que quelque chose comme ça. Il s'agit d'un nouveau développement passionnant en physique quantique et en science des matériaux, où les matériaux de Van der Waals sont empilés les uns sur les autres en couches, comme des feuilles de papier dans une pile qui peuvent facilement se tordre et se retourner tout en restant plates, et les physiciens quantiques ont utilisé ces piles. pour découvrir des phénomènes quantiques intéressants.

En ajoutant le concept de spin quantique avec des bicouches torsadées d’antiaimants, il est possible d’obtenir un magnétisme moiré accordable. Cela suggère une nouvelle classe de plates-formes matérielles pour la prochaine étape de la spinélectronique : la spintronique. Cette nouvelle science pourrait conduire à des dispositifs prometteurs pour la mémoire et la logique de spin, ouvrant ainsi le monde de la physique à une toute nouvelle voie avec les applications de la spintronique.

En tordant les aimants de Van der Waals, des états magnétiques non linéaires avec une grande accordabilité électrique peuvent émerger. Crédit : Ryan Allen, Second Bay Studios

Une équipe de chercheurs en physique quantique et en matériaux de l'Université Purdue a introduit une technique de torsion pour contrôler le degré de liberté de rotation à l'aide du CrI.₃, un matériau van der Waals (vdW) couplé à la couche intermédiaire antiferromagnétique, en tant que médiateur. Ils ont publié leurs résultats, intitulés « Magnétisme moiré électriquement accordable dans des doubles bicouches torsadées de triiodure de chrome », dans la revue Electronique naturelle.

« Dans cette étude, nous avons fabriqué une double couche torsadée de CrI₃« C'est-à-dire une bicouche plus une bicouche avec un angle tordu entre les deux », explique le Dr Guangwei Cheng, co-auteur principal de la publication. « Nous rapportons un magnétisme moiré avec des phases magnétiques riches et une grande accordabilité par la méthode électrique. »

La structure supermoirée de la double couche torsadée (tDB) CrI3 et ses comportements magnétiques étudiés par l'effet Kerr magnéto-optique (MOKE). La section A ci-dessus montre le diagramme schématique du super-réseau ondulé fabriqué en tordant les couches intermédiaires. Panneau inférieur : un boîtier magnétique non linéaire peut être présenté. La section B ci-dessus montre que les résultats MOKE démontrent la coexistence d'ordres ferromagnétiques (AFM) et ferromagnétiques (FM) dans un «aimant moiré» tDB CrI3 par rapport aux ordres AFM dans une bicouche CrI3 antiferromagnétique naturelle. Crédit : Illustration de Guanghui Cheng et Yong P. Chen

« Nous avons empilé un antiferromagnétique et l'avons tordu sur lui-même, et nous avons obtenu un ferromagnétique », explique Chen. « Il s'agit également d'un exemple frappant de la région émergente récemment du magnétisme » torsadé « ou moiré dans les matériaux torsadés 2D, où l'angle de torsion entre les deux couches fournit un puissant bouton de réglage et modifie considérablement les propriétés du matériau. »

« Pour la fabrication de CrI double couche torsadée₃on arrache une partie de la bicouche CrI₃« Faites-le pivoter et empilez-le sur l'autre partie, en utilisant ce qu'on appelle la technique du déchirement et de l'empilement », explique Cheng. « En mesurant l'effet magnéto-optique Kerr (MOKE), un outil sensible pour sonder le comportement magnétique jusqu'à quelques couches atomiques, nous avons observé la coexistence d'ordres ferromagnétiques et antiferromagnétiques, caractéristique du magnétisme moiré, et avons en outre démontré la tension. Auxiliaire commutation magnétique. Ce magnétisme ondulatoire est une nouvelle forme de magnétisme caractérisé par des phases ferromagnétiques et antiferromagnétiques spatialement variables, alternant périodiquement en fonction du super-réseau moiré.

Jusqu'à présent, la twisttronics s'est principalement concentrée sur la modification des propriétés électroniques, telles que la bicouche torsadée. Graphène. L'équipe Purdue souhaitait offrir un degré de liberté dans la rotation et a choisi d'utiliser CrI₃, matériau vdW combiné à une couche antimagnétique. Le résultat de torsion d'anti-aimants empilés sur eux-mêmes est rendu possible par la fabrication d'échantillons avec différents angles de torsion. Autrement dit, une fois fabriqué, l’angle de torsion de chaque dispositif devient constant, et des mesures MOKE sont alors effectuées.

Les calculs théoriques de cette expérience ont été réalisés par Upadhyaya et son équipe. Cela conforte fortement les observations faites par l'équipe de Chen.

« Nos calculs théoriques ont révélé un diagramme de phases riche en phases non linéaires de TA-1DW, TA-2DW, TS-2DW, TS-4DW, etc. », explique Upadhyaya.

Cette recherche fait partie des recherches en cours menées par l'équipe de Chen. Ce travail fait suite à plusieurs publications récentes pertinentes de l’équipe liées à la nouvelle physique et aux propriétés des « aimants 2D », telles que «Emergence du ferromagnétisme interfacial accordable par champ électrique dans les hétérostructures magnétiques 2D« , récemment publié dans Communications naturelles. Cette voie de recherche présente un potentiel passionnant dans le domaine de la spintronique et de la spintronique.

« Les aimants ondulés identifiés indiquent une nouvelle classe de plates-formes matérielles pour la spintronique et l'électronique magnétique », explique Chen. « La commutation magnétique assistée par tension et l'effet électromagnétique observés pourraient conduire à des dispositifs de mémoire et de logique de spin prometteurs. En tant que nouveau degré de liberté, cette torsion peut être appliquée à une large gamme de bicouches homo/hétéro pour les aimants vdW, ouvrant ainsi la possibilité de poursuivre de nouvelles applications en physique et en spintronique.

Référence : « Magnétisme moiré électriquement accordable dans des doubles bicouches torsadées de triiodure de chrome » par Guanghui Cheng, Muhammad Mushfiqur Rahman, Andres Llacsahanga Allcca, Avinash Rustagi, Xingtao Liu, Lina Liu, Lei Fu, Yanglin Zhu, Zhiqiang Mao, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi . , Prami Upadhyaya et Yong Pei Chen, 19 juin 2023, Electronique naturelle.
est ce que je: 10.1038/s41928-023-00978-0

L'équipe, principalement de Purdue, comprend deux auteurs principaux à parts égales : le Dr Guangwei Cheng et Muhammad Mushfiqur Rahman. Cheng était chercheur postdoctoral dans le groupe du Dr Yong-Pei Chen à l'Université Purdue et est maintenant professeur adjoint à l'Institut avancé de recherche sur les matériaux (AIMR, où Chen est également chercheur principal) à l'Université du Tohoku. Muhammad Mushfiqur Rahman est doctorant dans le groupe du Dr Prami Upadhyaya. Chen et Upadhyaya sont les auteurs correspondants de cette publication et sont professeurs à l'Université Purdue. Chen est professeur de physique et d'astronomie Carl Lark Horowitz, professeur de génie électrique et informatique et directeur du Purdue Institute for Quantum Science and Engineering. Upadhyaya est professeur adjoint de génie électrique et informatique. Parmi les autres membres de l'équipe Purdue figurent Andres Laxahanga Alka (doctorant), le Dr Lina Liu (postdoc), le Dr Li Fu (postdoc) du groupe de Chen, le Dr Avinash Rustagi (postdoc) du groupe d'Upadhyaya et le Dr Xingtao Leo. (ancien assistant de recherche au Burke Center for Nanotechnology).

Ce travail est soutenu en partie par l'Office of Science du Département américain de l'énergie (DOE) par le biais du Quantum Science Center (QSC, National Quantum Information Science Research Center) et du programme Multidgraduate University Research Initiatives (MURI) du DoD (FA9550-) 20- 1-0322). Cheng et Chen ont également reçu un soutien partiel du WPI-AIMR, du JSPS KAKENHI Basic Science A (18H03858), de la New Science (18H04473 et 20H04623) et du programme FRiD de l'Université du Tohoku aux premiers stades de la recherche.

Upadhyaya reconnaît également le soutien de la National Science Foundation (NSF) (ECCS-1810494). cri en vrac₃ Les cristaux sont fournis par le groupe Zhiqiang Mao de l'Université d'État de Pennsylvanie avec le soutien du Département américain de l'énergie (DE-SC0019068). Les cristaux de hBN en vrac sont fournis par Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l'Institut national des sciences des matériaux du Japon, avec le soutien de JSPS KAKENHI (numéros de subvention 20H00354, 21H05233 et 23H02052) et du World Premier Center for International Research Initiative (WPI), MEXT. , Japon.