Bei der Twistronik, einem neuartigen Gebiet der Quantenphysik, werden Van-der-Waals-Materialien gestapelt, um neue Quantenphänomene zu erforschen. Forscher der Purdue University haben dieses Gebiet vorangetrieben, indem sie Quantenspin in verdrillte Doppeldoppelschichten von Antiferromagneten einführten, was zu einem abstimmbaren Moiré-Magnetismus führte. Dieser Durchbruch deutet auf neue Materialien für die Spintronik hin und verspricht Fortschritte bei Speicher- und Spin-Logik-Geräten. Bildnachweis: SciTechDaily.com
Purdue-Quantenforscher verdrehen doppelte Doppelschichten eines 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 alles andere. 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 drehen lassen, während sie flach bleiben, und Quantenphysiker haben diese verwendet Stapel, um faszinierende Quantenphänomene zu entdecken.
Wenn man das Konzept des Quantenspins mit verdrillten Doppeldoppelschichten eines Antiferromagneten hinzufügt, ist es möglich, einen abstimmbaren Moiré-Magnetismus zu erhalten. Dies deutet auf eine neue Klasse von Materialplattformen für den nächsten Schritt in der Twistronik hin: Spintronik. Diese neue Wissenschaft könnte zu vielversprechenden Speicher- und Spin-Logik-Geräten führen und der Welt der Physik mit spintronischen Anwendungen völlig neue Möglichkeiten eröffnen.
Durch Verdrehen eines Van-der-Waals-Magneten können nichtkollineare magnetische Zustände mit erheblicher elektrischer Abstimmbarkeit entstehen. Bildnachweis: Ryan Allen, Second Bay Studios
Ein Team aus Quantenphysik- und Materialforschern an der Purdue University hat die Drehung eingeführt, um den Spinfreiheitsgrad mithilfe von CrI zu steuern3als Medium. Sie haben ihre Ergebnisse „Elektrisch abstimmbarer Moiré-Magnetismus in verdrehten Doppelbischichten aus Chromtriiodid“ veröffentlicht Naturelektronik.
„In dieser Studie haben wir verdrehtes Doppeldoppelschicht-CrI hergestellt3, das heißt Doppelschicht plus Doppelschicht mit einem Verdrehungswinkel dazwischen“, sagt Dr. Guanghui Cheng, Co-Hauptautor der Veröffentlichung. „Wir berichten über Moiré-Magnetismus mit reichhaltigen magnetischen Phasen und erheblicher Abstimmbarkeit durch die elektrische Methode.“
Die Moiré-Übergitterstruktur der verdrillten Doppeldoppelschicht (tDB) CrI3 und ihr magnetisches Verhalten, untersucht durch den magnetooptischen Kerr-Effekt (MOKE). Abschnitt a oben zeigt das Schema eines Moiré-Übergitters, das durch Verdrehen der Zwischenschichten hergestellt wird. Unten: Es kann ein nichtkollinearer magnetischer Zustand entstehen. Abschnitt b oben zeigt, dass die MOKE-Ergebnisse die Koexistenz von antiferromagnetischen (AFM) und ferromagnetischen (FM) Ordnungen im „Moiré-Magneten“ tDB CrI3 im Vergleich zu den AFM-Ordnungen in der natürlichen antiferromagnetischen Doppelschicht CrI3 zeigen. Bildnachweis: Illustration von Guanghui Cheng und Yong P. Chen
„Wir haben einen Antiferromagneten gestapelt und auf sich selbst gedreht, und voilà, wir haben einen Ferromagneten erhalten“, sagt Chen. „Dies ist auch ein eindrucksvolles Beispiel für den kürzlich aufgetauchten Bereich des ‚verdrehten‘ oder Moiré-Magnetismus in verdrehten 2D-Materialien, bei dem der Verdrehungswinkel zwischen den beiden Schichten einen starken Einstellknopf ergibt und die Materialeigenschaft dramatisch verändert.“
„Um verdrillte Doppeldoppelschicht-CrI herzustellen3wir zerreißen einen Teil der CrI-Doppelschicht3drehen und auf das andere Teil stapeln, mit der sogenannten Tear-and-Stack-Technik“, erklärt Cheng. „Durch die Messung des magneto-optischen Kerr-Effekts (MOKE), einem empfindlichen Instrument zur Untersuchung des magnetischen Verhaltens bis hin zu einigen Atomschichten, haben wir die Koexistenz ferromagnetischer und antiferromagnetischer Ordnungen beobachtet, die das Kennzeichen des Moiré-Magnetismus sind, und die Spannung weiter nachgewiesen.“ -unterstütztes magnetisches Schalten. Ein solcher Moiré-Magnetismus ist eine neuartige Form des Magnetismus mit räumlich variierenden ferromagnetischen und antiferromagnetischen Phasen, die sich entsprechend dem Moiré-Übergitter periodisch abwechseln.“
Bisher konzentrierten sich Twistroniken hauptsächlich auf die Modulation elektronischer Eigenschaften, beispielsweise verdrillter Doppelschichten Graphen. Das Purdue-Team wollte den Twist-to-Spin-Freiheitsgrad einführen und entschied sich für die Verwendung von CrI3, ein zwischenschichtantiferromagnetisch gekoppeltes vdW-Material. Das Ergebnis der Verdrehung gestapelter Antiferromagnete wurde durch die Herstellung von Proben mit unterschiedlichen Verdrehungswinkeln ermöglicht. Mit anderen Worten: Nach der Herstellung wird der Verdrehungswinkel jedes Geräts festgelegt und anschließend werden MOKE-Messungen durchgeführt.
Theoretische 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 reichhaltiges Phasendiagramm mit nichtkollinearen Phasen von TA-1DW, TA-2DW, TS-2DW, TS-4DW usw. ergeben“, sagt Upadhyaya.
Diese Forschung fügt sich in eine fortlaufende Forschungsrichtung von Chens Team ein. Diese Arbeit folgt auf mehrere verwandte aktuelle Veröffentlichungen des Teams, die sich auf neuartige Physik und Eigenschaften von „2D-Magneten“ beziehen, wie zum Beispiel „Emergence of electric-field-tunable interfacial ferromagnetism in 2D antiferromagnet heterostructures“, das kürzlich in veröffentlicht wurde Naturkommunikation. Dieser Forschungsweg bietet spannende Möglichkeiten im Bereich Twistronik und Spintronik.
„Der identifizierte Moiré-Magnet deutet auf eine neue Klasse von Materialplattformen für Spintronik und Magnetoelektronik hin“, sagt Chen. „Das beobachtete spannungsunterstützte magnetische Schalten und der magnetoelektrische Effekt könnten zu vielversprechenden Speicher- und Spin-Logik-Geräten führen. Als neuartiger Freiheitsgrad kann die Drehung auf die große Bandbreite an Homo-/Heterobischichten von vdW-Magneten angewendet werden und eröffnet die Möglichkeit, neue physikalische und spintronische Anwendungen zu verfolgen.“
Referenz: „Elektrisch abstimmbarer Moiré-Magnetismus in verdrehten Doppelschichten aus Chromtriiodid“ von Guanghui Cheng, Mohammad Mushfiqur Rahman, Andres Llacsahuanga Allcca, Avinash Rustagi, Xingtao Liu, Lina Liu, Lei Fu, Yanglin Zhu, Zhiqiang Mao, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi , Pramey Upadhyaya und Yong P. Chen, 19. Juni 2023, Naturelektronik.
DOI: 10.1038/s41928-023-00978-0
Das Team, hauptsächlich aus Purdue, hat zwei gleichberechtigte Hauptautoren: Dr. Guanghui Cheng und Mohammad Mushfiqur Rahman. Cheng war Postdoktorand in der Gruppe von Dr. Mohammad Mushfiqur Rahman ist Doktorand in der Gruppe von Dr. Pramey Upadhyaya. Sowohl Chen als auch Upadhyaya sind korrespondierende Autoren dieser Veröffentlichung und Professoren an der Purdue University. Chen ist Karl-Lark-Horovitz-Professor für Physik und Astronomie, Professor für Elektrotechnik und Informationstechnik und Direktor des Purdue Quantum Science and Engineering Institute. Upadhyaya ist Assistenzprofessor für Elektrotechnik und Informationstechnik. Weitere mit Purdue verbundene Teammitglieder sind Andres Llacsahuanga Allcca (Doktorand), Dr. Lina Liu (Postdoc) und Dr. Lei Fu (Postdoc) aus Chens Gruppe, Dr. Avinash Rustagi (Postdoc) aus Upadhyayas Gruppe und Dr. Xingtao Liu (ehemaliger wissenschaftlicher Mitarbeiter am Birck Nanotechnology Center).
Diese Arbeit wird teilweise vom Office of Science des US-Energieministeriums (DOE) durch das Quantum Science Center (QSC, ein nationales Forschungszentrum für Quanteninformationswissenschaft) und das Multidisciplinary University Research Initiatives (MURI)-Programm des Verteidigungsministeriums (DOD) (FA9550-) unterstützt. 20-1-0322). Cheng und Chen erhielten in 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 Tohoku University.
Upadhyaya dankt außerdem der National Science Foundation (NSF) für ihre Unterstützung (ECCS-1810494). Massen-CrI3 Kristalle werden von der Gruppe von Zhiqiang Mao von der Pennsylvania State University mit Unterstützung des US-amerikanischen Energieministeriums (DE-SC0019068) bereitgestellt. Bulk-hBN-Kristalle werden von Kenji Watanabe und Takashi Taniguchi vom National Institute for Materials Science in Japan mit Unterstützung des JSPS KAKENHI (Fördernummern 20H00354, 21H05233 und 23H02052) und der World Premier International Research Center Initiative (WPI), MEXT, Japan, bereitgestellt.