Révolution quantique : unir la twistronique et la spintronique pour une électronique avancée

Les chercheurs quantiques de Purdue tordent les doubles bicouches d’un antiferromagnétique pour démontrer un magnétisme de moiré accordable.

Twistronics n’est pas un nouveau mouvement de danse, un équipement d’exercice ou une nouvelle mode musicale. Non, c’est bien plus cool que tout 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 rame qui peuvent facilement se tordre et tourner tout en restant plats, et les physiciens quantiques les ont utilisés. piles pour découvrir des phénomènes quantiques intrigants.

En ajoutant le concept de spin quantique avec des doubles bicouches torsadées d’un antiferromagnétique, il est possible d’avoir un magnétisme de moiré accordable. Cela suggère une nouvelle classe de plate-forme matérielle pour la prochaine étape de la twistronique : la spintronique. Cette nouvelle science pourrait conduire à des dispositifs prometteurs de mémoire et de logique de spin, ouvrant ainsi le monde de la physique à une toute nouvelle voie avec les applications spintroniques.

En tournant un aimant de Van der Waals, des états magnétiques non colinéaires peuvent émerger avec une accordabilité électrique significative. Crédit : Ryan Allen, Second Bay Studios

Une équipe de chercheurs en physique quantique et en matériaux de l’Université Purdue a introduit la méthode permettant de contrôler le degré de liberté de spin, en utilisant le CrI.₃, un matériau van der Waals (vdW) couplé à une couche intercalaire antiferromagnétique, comme support. Ils ont publié leurs résultats, « Magnétisme moiré électriquement accordable dans les doubles bicouches torsadées de triiodure de chrome », dans Électronique naturelle.

« Dans cette étude, nous avons fabriqué du CrI à double couche torsadée₃, c’est-à-dire une bicouche plus une bicouche avec un angle de torsion entre elles », explique le Dr Guanghui Cheng, co-auteur principal de la publication. « Nous rapportons un magnétisme moiré avec des phases magnétiques riches et une accordabilité significative par la méthode électrique. »

La structure de super-réseau moiré de la double bicouche torsadée (tDB) CrI3 et ses comportements magnétiques sondés par l’effet magnéto-optique Kerr (MOKE). La section a ci-dessus montre le schéma d’un super-réseau moiré fabriqué par torsion intercouche. Panneau inférieur : un état magnétique non colinéaire peut émerger. La section b ci-dessus montre les résultats de MOKE montrant la coexistence d’ordres antiferromagnétiques (AFM) et ferromagnétiques (FM) dans «l’aimant moiré» tDB CrI3 par rapport aux ordres AFM dans la bicouche antiferromagnétique naturelle CrI3. Crédit : Illustration de Guanghui Cheng et Yong P. Chen

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

« Pour fabriquer des CrI à double couche torsadée₃on déchire une partie de la bicouche CrI₃, faites-le pivoter et empilez-le sur l’autre partie, en utilisant la technique dite du déchirement et de l’empilement », explique Cheng. « Grâce à la mesure magnéto-optique de l’effet Kerr (MOKE), qui est un outil sensible pour sonder le comportement magnétique jusqu’à quelques couches atomiques, nous avons observé la coexistence d’ordres ferromagnétiques et antiferromagnétiques, qui est la marque du magnétisme moiré, et avons en outre démontré la tension. -commutation magnétique assistée. Un tel magnétisme moiré est une nouvelle forme de magnétisme comportant des phases ferromagnétiques et antiferromagnétiques spatialement variables, alternant périodiquement en fonction du super-réseau moiré.

Jusqu’à présent, les Twistronics se sont principalement concentrés sur la modulation des propriétés électroniques, telles que la bicouche torsadée. graphène. L’équipe Purdue souhaitait introduire le degré de liberté de torsion et de rotation et a choisi d’utiliser CrI.₃, un matériau vdW à couplage antiferromagnétique intercouche. Le résultat de la torsion d’antiferromagnétiques empilés sur eux-mêmes a été rendu possible grâce à la fabrication d’échantillons avec différents angles de torsion. En d’autres termes, une fois fabriqué, l’angle de torsion de chaque dispositif devient fixe, puis des mesures MOKE sont effectuées.

Les calculs théoriques pour cette expérience ont été effectués par Upadhyaya et son équipe. Cela a fortement conforté les observations de l’équipe de Chen.

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

Cette recherche s’inscrit dans une voie de recherche en cours menée par l’équipe de Chen. Ce travail fait suite à plusieurs publications récentes de l’équipe liées à la nouvelle physique et aux propriétés des « aimants 2D », telles que « Emergence of electric-field-tunable interfacial ferromagnetism in 2D antiferromagnet hétérostructures », qui a récemment été publiée dans Communications naturelles. Cette voie de recherche offre des possibilités passionnantes dans le domaine de la twistronique et de la spintronique.

« L’aimant moiré identifié suggère une nouvelle classe de plate-forme matérielle pour la spintronique et la magnétoélectronique », explique Chen. « La commutation magnétique assistée par tension et l’effet magnétoélectrique observés pourraient conduire à des dispositifs de mémoire et de logique de spin prometteurs. En tant que nouveau degré de liberté, la torsion peut être applicable à la vaste gamme d’homo/hétérobicouches des aimants vdW, ouvrant ainsi la possibilité de poursuivre de nouvelles applications en physique ainsi qu’en spintronique.

L’équipe, principalement de Purdue, compte deux auteurs principaux à contribution égale : le Dr Guanghui Cheng et Mohammad Mushfiqur Rahman. Cheng était postdoctorant dans le groupe du Dr Yong P. Chen à l’Université Purdue et est maintenant professeur adjoint à l’Institut avancé de recherche sur les matériaux (AIMR, où Chen est également affilié en tant que chercheur principal) à l’Université du Tohoku. Mohammad Mushfiqur Rahman est doctorant dans le groupe du Dr Pramey Upadhyaya. Chen et Upadhyaya sont tous deux auteurs correspondants de cette publication et professeurs à l’Université Purdue. Chen est professeur Karl Lark-Horovitz de physique et d’astronomie, professeur de génie électrique et informatique et directeur du Purdue Quantum Science and Engineering Institute. Upadhyaya est professeur adjoint de génie électrique et informatique. Les autres membres de l’équipe affiliés à Purdue comprennent Andres Llacsahanga Allcca (doctorant), le Dr Lina Liu (postdoctorant) et le Dr Lei Fu (postdoctoral) du groupe de Chen, le Dr Avinash Rustagi (postdoctoral) du groupe d’Upadhyaya et le Dr Xingtao Liu. (ancien assistant de recherche au Birck Nanotechnology Center).

Ce travail est partiellement soutenu par l’Office of Science du Département américain de l’énergie (DOE) par le biais du Quantum Science Center (QSC, un centre national de recherche en science de l’information quantique) et du programme Multidgraduate University Research Initiatives (MURI) du ministère de la Défense (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 de Tohoku aux premiers stades de la recherche.

Upadhyaya reconnaît également le soutien de la National Science Foundation (NSF) (ECCS-1810494). IRC en vrac₃ les cristaux sont fournis par le groupe de Zhiqiang Mao de la Pennsylvania State University avec le soutien du US DOE (DE-SC0019068). Les cristaux de hBN en vrac sont fournis par Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l’Institut national de science des matériaux au Japon, avec le soutien du JSPS KAKENHI (numéros de subvention 20H00354, 21H05233 et 23H02052) et de la World Premier International Research Center Initiative (WPI), MEXT, Japon.