Các nhà nghiên cứu của Đại học Purdue quay hai lớp phản sắt từ để chứng minh từ tính moiré có thể điều chỉnh được.

Twisttronics không phải là một động tác nhảy, thiết bị tập thể dục hay mốt âm nhạc mới. Không, nó mát hơn nhiều so với bất cứ thứ gì như thế. Đó là một sự phát triển mới thú vị trong vật lý lượng tử và khoa học vật liệu, trong đó các vật liệu van der Waals được xếp chồng lên nhau thành từng lớp, giống như những tờ giấy xếp chồng lên nhau có thể dễ dàng xoắn và xoay trong khi vẫn phẳng, và các nhà vật lý lượng tử đã sử dụng những chồng giấy này để khám phá những hiện tượng lượng tử thú vị.

Bằng cách bổ sung khái niệm spin lượng tử với hai lớp phản nam châm xoắn, người ta có thể tạo ra từ tính moiré có thể điều chỉnh được. Điều này gợi ý một loại nền tảng vật liệu mới cho bước tiếp theo trong điện tử học spin: điện tử học spin. Khoa học mới này có thể dẫn đến những thiết bị đầy hứa hẹn về bộ nhớ và logic quay, mở ra thế giới vật lý theo một con đường hoàn toàn mới với các ứng dụng điện tử học spin.

Bằng cách xoắn nam châm van der Waals, các trạng thái từ tính phi tuyến với khả năng điều chỉnh điện lớn có thể xuất hiện. Tín dụng: Ryan Allen, Hãng phim Vịnh thứ hai

Một nhóm các nhà nghiên cứu vật lý lượng tử và vật liệu tại Đại học Purdue vừa giới thiệu một kỹ thuật xoắn để kiểm soát mức độ tự do quay bằng CrI.₃, một vật liệu van der Waals (vdW) được ghép với lớp xen kẽ phản sắt từ, làm chất trung gian của nó. Họ đã công bố phát hiện của mình, có tựa đề “Từ tính moiré có thể điều chỉnh bằng điện trong hai lớp xoắn đôi của crom triiodua,” trên tạp chí Điện tử tự nhiên.

“Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã chế tạo một lớp CrI xoắn kép₃Tiến sĩ Guanwei Cheng, đồng tác giả chính của ấn phẩm, cho biết: “Đó là, một lớp kép cộng với một lớp kép có góc xoắn ở giữa”. “Chúng tôi báo cáo từ tính moiré với các pha từ tính phong phú và khả năng điều chỉnh lớn bằng phương pháp điện.”

Cấu trúc supermoiré của CrI3 lớp kép xoắn (tDB) và các đặc tính từ tính của nó được nghiên cứu bằng hiệu ứng Kerr quang từ (MOKE). Phần A ở trên trình bày sơ đồ nguyên lý của siêu mạng dạng sóng được chế tạo bằng cách xoắn các lớp xen kẽ. Bảng dưới cùng: có thể hiển thị một trường hợp từ tính phi tuyến. Phần B ở trên cho thấy kết quả MOKE chứng minh sự tồn tại đồng thời của các bậc sắt từ (AFM) và sắt từ (FM) trong “nam châm moiré” tDB CrI3 so với các bậc AFM trong lớp kép CrI3 phản sắt từ tự nhiên. Nguồn: Minh họa của Guanhui Cheng và Yong P. Chen

Chen nói: “Chúng tôi xếp chồng một chất phản sắt từ lên và xoắn nó lại và chúng tôi có được một chất sắt từ”. “Đây cũng là một ví dụ nổi bật về vùng từ tính ‘xoắn’ hoặc moiré mới nổi gần đây trong vật liệu xoắn 2D, trong đó góc xoắn giữa hai lớp cung cấp một núm điều chỉnh mạnh mẽ và thay đổi đáng kể đặc tính vật liệu.”

“Để chế tạo CrI hai lớp xoắn₃chúng ta xé bỏ một phần của lớp kép CrI₃“Xoay nó và xếp nó lên trên phần kia, sử dụng kỹ thuật được gọi là kỹ thuật xé và xếp chồng,” ​​Cheng giải thích. “Bằng cách đo hiệu ứng Kerr quang từ (MOKE), một công cụ nhạy để thăm dò hành vi từ tính ở một vài lớp nguyên tử, chúng tôi đã quan sát thấy sự cùng tồn tại của các bậc sắt từ và phản sắt từ, dấu hiệu đặc trưng của từ tính moiré, và chứng minh thêm về điện áp. chuyển mạch từ. Từ tính sóng như vậy là một dạng từ tính mới được đặc trưng bởi các pha sắt từ và phản sắt từ thay đổi theo không gian, xen kẽ tuần hoàn theo siêu mạng moiré.

Đến thời điểm này, twisttronics chủ yếu tập trung vào việc sửa đổi các thuộc tính điện tử, chẳng hạn như lớp kép xoắn Graphene. Nhóm Purdue muốn cung cấp một mức độ tự do luân chuyển và đã chọn sử dụng CrI₃, vật liệu vdW kết hợp với lớp chống từ. Kết quả xoắn của các phản nam châm xếp chồng lên nhau có thể thực hiện được bằng cách chế tạo các mẫu có các góc xoắn khác nhau. Nói cách khác, sau khi được chế tạo, góc xoắn của mỗi thiết bị sẽ không đổi và sau đó các phép đo MOKE được thực hiện.

Các tính toán lý thuyết cho thí nghiệm này được thực hiện bởi Upadhyaya và nhóm của ông. Điều này cung cấp sự hỗ trợ mạnh mẽ cho những quan sát của nhóm Chen.

Upadhyaya cho biết: “Các tính toán lý thuyết của chúng tôi đã tiết lộ một sơ đồ pha có nhiều pha phi tuyến của TA-1DW, TA-2DW, TS-2DW, TS-4DW, v.v.”.

Nghiên cứu này là một phần trong nghiên cứu đang diễn ra của nhóm Chen. Công trình này tiếp nối một số ấn phẩm có liên quan gần đây của nhóm liên quan đến tính chất và vật lý mới của “nam châm 2D”, chẳng hạn như “Sự xuất hiện của tính sắt từ giao diện điều chỉnh được điện trường trong cấu trúc dị thể từ 2D“, được xuất bản gần đây trên Truyền thông thiên nhiên. Con đường nghiên cứu này có tiềm năng thú vị trong lĩnh vực điện tử học spin và điện tử học spin.

Chen cho biết: “Các nam châm lượn sóng đã được xác định chỉ ra một loại nền tảng vật liệu mới cho điện tử học spin và điện tử từ tính”. “Hiệu ứng điện từ và chuyển mạch từ được hỗ trợ bằng điện áp quan sát được có thể dẫn đến các thiết bị logic quay và bộ nhớ đầy hứa hẹn. Là một mức độ tự do mới, sự thay đổi này có thể được áp dụng cho một loạt các lớp kép đồng tính/dị loại cho nam châm vdW, mở ra cơ hội để theo đuổi vật lý mới cũng như các ứng dụng điện tử học spin.”

Tham khảo: “Từ tính moiré điều chỉnh bằng điện trong hai lớp xoắn đôi của crom triiodua” của Guanhui 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 và Yong Pei Chen, ngày 19 tháng 6 năm 2023, Điện tử tự nhiên.
doi: 10.1038/s41928-023-00978-0

Nhóm, chủ yếu đến từ Purdue, bao gồm hai tác giả chính có đóng góp ngang nhau: Tiến sĩ Guanwei Cheng và Muhammad Mushfiqur Rahman. Cheng là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ trong nhóm của Tiến sĩ Yong-Pei Chen tại Đại học Purdue, và hiện là trợ lý giáo sư tại Viện Nghiên cứu Vật liệu Cao cấp (AIMR, nơi Chen cũng là nhà nghiên cứu chính) tại Đại học Tohoku. Muhammad Mushfiqur Rahman là nghiên cứu sinh tiến sĩ trong nhóm của Tiến sĩ Prami Upadhyaya. Chen và Upadhyaya là tác giả tương ứng của ấn phẩm này và là giáo sư tại Đại học Purdue. Chen là Giáo sư Vật lý và Thiên văn học Carl Lark Horowitz, giáo sư kỹ thuật điện và máy tính, đồng thời là giám đốc Viện Khoa học và Kỹ thuật Lượng tử Purdue. Upadhyaya là trợ lý giáo sư về kỹ thuật điện và máy tính. Các thành viên khác của nhóm Purdue bao gồm Andres Laxahuanga Alka (nghiên cứu tiến sĩ), Tiến sĩ Lina Liu (postdoc), Tiến sĩ Li Fu (postdoc) từ nhóm của Chen, Tiến sĩ Avinash Rustagi (postdoc) từ nhóm của Upadhyaya và Tiến sĩ Xingtao Leo. (cựu trợ lý nghiên cứu tại Trung tâm Công nghệ nano Burke).

Công trình này được hỗ trợ một phần bởi Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) thông qua Trung tâm Khoa học Lượng tử (QSC, Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Thông tin Lượng tử Quốc gia) và Chương trình Sáng kiến ​​Nghiên cứu của Đại học Đa ngành (MURI) của DoD (FA9550-) 20- 1 -0322). Cheng và Chen cũng nhận được hỗ trợ một phần từ WPI-AIMR, JSPS KAKENHI Khoa học cơ bản A (18H03858), Khoa học mới (18H04473 và 20H04623) và Chương trình FRiD của Đại học Tohoku trong giai đoạn đầu của nghiên cứu.

Upadhyaya cũng thừa nhận sự hỗ trợ từ Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF) (ECCS-1810494). cây cree số lượng lớn₃ Pha lê được cung cấp bởi nhóm Zhiqiang Mao của Đại học Bang Pennsylvania với sự hỗ trợ của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DE-SC0019068). Các tinh thể hBN số lượng lớn được cung cấp bởi Kenji Watanabe và Takashi Taniguchi từ Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia, Nhật Bản, với sự hỗ trợ từ JSPS KAKENHI (số cấp 20H00354, 21H05233 và 23H02052) và Trung tâm Sáng kiến ​​Nghiên cứu Quốc tế Hàng đầu Thế giới (WPI), MEXT , Nhật Bản.