Unificación de Twistrónica y Spintrónica para la electrónica avanzada

Investigadores de la Universidad Purdue hacen girar bicapas dobles de antiferroimanes para demostrar el magnetismo muaré sintonizable.

Twistronics no es un nuevo movimiento de baile, equipo de ejercicio o moda musical. No, es mucho más genial que algo así. Es un nuevo y apasionante desarrollo en la física cuántica y la ciencia de los materiales en el que los materiales de Van der Waals se apilan unos encima de otros en capas, como hojas de papel en una pila que pueden girar y girar fácilmente sin dejar de permanecer planas, y los físicos cuánticos han utilizado estas pilas. para descubrir fenómenos cuánticos interesantes.

Al agregar el concepto de espín cuántico con bicapas retorcidas de antiimanes, es posible tener un magnetismo muaré sintonizable. Esto sugiere una nueva clase de plataformas materiales para el siguiente paso en la espinelectrónica: la espintrónica. Esta nueva ciencia podría conducir a dispositivos prometedores para la memoria y la lógica de espín, abriendo el mundo de la física a un camino completamente nuevo con aplicaciones de la espintrónica.

Al girar los imanes de Van der Waals, pueden surgir estados magnéticos no lineales con una gran sintonizabilidad eléctrica. Crédito: Ryan Allen, Second Bay Studios

Un equipo de investigadores en física cuántica y materiales de la Universidad Purdue ha introducido una técnica de torsión para controlar el grado de libertad de rotación mediante CrI.₃, un material de van der Waals (vdW) acoplado a la capa intermedia antiferromagnética, como su mediador. Publicaron sus hallazgos, titulados “Magnetismo muaré eléctricamente sintonizable en bicapas dobles retorcidas de triyoduro de cromo”, en la revista Electrónica de la naturaleza.

“En este estudio, fabricamos una doble capa retorcida de CrI₃“Es decir, una bicapa más una bicapa con un ángulo retorcido en el medio”, dice el Dr. Guangwei Cheng, coautor principal de la publicación. “Presentamos magnetismo muaré con ricas fases magnéticas y gran capacidad de sintonización mediante el método eléctrico”.

La estructura supermoiré de CrI3 de doble capa retorcida (tDB) y sus comportamientos magnéticos investigados mediante el efecto Kerr magnetoóptico (MOKE). La sección A anterior muestra el diagrama esquemático de la superred corrugada fabricada torciendo las capas intermedias. Panel inferior: se puede mostrar una caja magnética no lineal. La sección B anterior muestra que los resultados de MOKE demuestran la coexistencia de órdenes ferromagnéticos (AFM) y ferromagnéticos (FM) en un “imán muaré” tDB CrI3 en comparación con órdenes AFM en una bicapa antiferromagnética natural de CrI3. Crédito: Ilustración de Guanghui Cheng y Yong P. Chen

“Apilamos un antiferroimán y lo giramos sobre sí mismo, y obtuvimos un ferroimán”, dice Chen. “Este es también un ejemplo sorprendente de la región recientemente emergente del magnetismo 'retorcido' o muaré en materiales retorcidos 2D, donde el ángulo de torsión entre las dos capas proporciona una poderosa perilla de sintonización y cambia dramáticamente la propiedad del material”.

“Para la fabricación de CrI de doble capa retorcida₃arrancamos una parte de la bicapa CrI₃“Gírelo y apílelo encima de la otra parte, usando lo que se llama la técnica de rasgar y apilar”, explica Cheng. “Al medir el efecto Kerr magnetoóptico (MOKE), una herramienta sensible para sondear el comportamiento magnético hasta unas pocas capas atómicas, observamos la coexistencia de órdenes ferromagnéticos y antiferromagnéticos, el sello distintivo del magnetismo muaré, y demostramos aún más el voltaje. conmutación magnética. Tal magnetismo ondulatorio es una nueva forma de magnetismo caracterizado por fases ferromagnéticas y antiferromagnéticas que varían espacialmente, alternándose periódicamente según la superred muaré.

Hasta este punto, la twisttronics se ha centrado principalmente en modificar propiedades electrónicas, como la bicapa retorcida. Grafeno. El equipo de Purdue quería ofrecer cierto grado de libertad de rotación y optó por utilizar CrI.₃, material vdW combinado con una capa antimagnética. El resultado de la torsión de antiimanes apilados sobre sí mismos es posible fabricando muestras con diferentes ángulos de torsión. En otras palabras, una vez fabricado, el ángulo de torsión de cada dispositivo se vuelve constante y luego se realizan las mediciones MOKE.

Los cálculos teóricos para este experimento fueron realizados por Upadhyaya y su equipo. Esto proporcionó un fuerte apoyo a las observaciones realizadas por el equipo de Chen.

“Nuestros cálculos teóricos han revelado un diagrama de fases rico en fases no lineales de TA-1DW, TA-2DW, TS-2DW, TS-4DW, etc.”, dice Upadhyaya.

Esta investigación es parte de una investigación en curso realizada por el equipo de Chen. Este trabajo sigue a varias publicaciones relevantes recientes del equipo relacionadas con la nueva física y propiedades de los “imanes 2D”, como “Aparición de ferromagnetismo interfacial sintonizable con campo eléctrico en heteroestructuras magnéticas 2D“, que fue publicado recientemente en Comunicaciones de la naturaleza. Esta vía de investigación tiene un potencial apasionante en el campo de la espintrónica y la espintrónica.

“Los imanes corrugados identificados apuntan a una nueva clase de plataformas de materiales para la espintrónica y la electrónica magnética”, afirma Chen. “La conmutación magnética asistida por voltaje y el efecto electromagnético observados pueden conducir a dispositivos prometedores de memoria y lógica de espín. Como un nuevo grado de libertad, este giro se puede aplicar a una amplia gama de bicapas homo/hetero para imanes vdW, abriendo la oportunidad de perseguir nuevas aplicaciones de la física y la espintrónica.”

Referencia: “Magnetismo muaré eléctricamente sintonizable en dobles bicapas retorcidas de triyoduro 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 y Yong Pei Chen, 19 de junio de 2023, Electrónica de la naturaleza.
doi: 10.1038/s41928-023-00978-0

El equipo, en su mayoría de Purdue, incluye dos autores principales que contribuyen en partes iguales: el Dr. Guangwei Cheng y Muhammad Mushfiqur Rahman. Cheng fue investigador postdoctoral en el grupo del Dr. Yong-Pei Chen en la Universidad Purdue y ahora es profesor asistente en el Instituto Avanzado de Investigación de Materiales (AIMR, donde Chen también es investigador principal) en la Universidad de Tohoku. Muhammad Mushfiqur Rahman es estudiante de doctorado en el grupo del Dr. Prami Upadhyaya. Chen y Upadhyaya son autores correspondientes de esta publicación y profesores de la Universidad Purdue. Chen es profesor de Física y Astronomía Carl Lark Horowitz, profesor de ingeniería eléctrica e informática y director del Instituto Purdue de Ciencia e Ingeniería Cuánticas. Upadhyaya es profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática. Otros miembros del equipo de Purdue incluyen a Andrés Laxahuanga Alka (estudiante de doctorado), la Dra. Lina Liu (postdoctoral), el Dr. Li Fu (postdoctoral) del grupo de Chen, el Dr. Avinash Rustagi (postdoctoral) del grupo de Upadhyaya y el Dr. Xingtao Leo. (ex asistente de investigación en el Centro Burke de Nanotecnología).

Este trabajo cuenta con el apoyo parcial de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) a través del Centro de Ciencias Cuánticas (QSC, Centro Nacional de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica) y el Programa de Iniciativas de Investigación Universitaria Multidisciplinaria (MURI) del Departamento de Defensa (FA9550-) 20- 1-0322). Cheng y Chen también recibieron apoyo parcial de WPI-AIMR, JSPS KAKENHI Basic Science A (18H03858), New Science (18H04473 y 20H04623) y el programa FRiD de la Universidad de Tohoku en las primeras etapas de la investigación.

Upadhyaya también agradece el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) (ECCS-1810494). cree a granel₃ Los cristales son proporcionados por el grupo Zhiqiang Mao de la Universidad Estatal de Pensilvania con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU. (DE-SC0019068). Los cristales de hBN a granel son proporcionados por Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón, con el apoyo de JSPS KAKENHI (números de subvención 20H00354, 21H05233 y 23H02052) y el Centro Mundial Premier para la Iniciativa de Investigación Internacional (WPI), MEXT. , Japón.