Twistronics nie jest nowym ruchem tanecznym, sprzętem do ćwiczeń ani nową modą muzyczną. Nie, to jest o wiele fajniejsze niż cokolwiek z tego. Jest to ekscytujące nowe osiągnięcie w fizyce kwantowej i materiałoznawstwie, w którym materiały van der Waalsa są układane jedna na drugiej w warstwach, jak arkusze papieru w ryzie, które można łatwo skręcać i obracać, pozostając płaskimi, a fizycy kwantowi wykorzystali te stosy, aby odkryć intrygujące zjawiska kwantowe.
Dodając koncepcję spinu kwantowego ze skręconymi podwójnymi warstwami antyferromagnesu, możliwe jest uzyskanie przestrajalnego magnetyzmu mory. Sugeruje to nową klasę platformy materiałowej dla następnego kroku w twistronice: spintroniki. Ta nowa nauka może doprowadzić do powstania obiecujących urządzeń pamięciowych i logiki spinowej, otwierając świat fizyki na zupełnie nową drogę dzięki aplikacjom spintronicznym.
Zespół fizyków kwantowych i badaczy materiałów z Purdue University wprowadził skręt, aby kontrolować stopień swobody wirowania, używając CrI3, materiału van der Waalsa (vdW) sprzężonego między warstwami z antyferromagnetykami, jako ich medium. Opublikowali swoje odkrycia „Elektrycznie przestrajalny magnetyzm mory w skręconych podwójnych warstwach trójjodku chromu” w Nature Electronics.
„W tym badaniu wytworzyliśmy skręconą podwójną dwuwarstwę CrI3, czyli dwuwarstwę plus dwuwarstwę z kątem skrętu między nimi” – mówi dr Guanghui Cheng, współautor publikacji. „Zgłaszamy magnetyzm mory z bogatymi fazami magnetycznymi i znaczną przestrajalnością metodą elektryczną”.
Zespół, w większości z Purdue, ma dwóch równorzędnych głównych autorów: dr Guanghui Cheng i Mohammad Mushfiqur Rahman. Cheng był postdocem w grupie dr Yong P. Chen na Purdue University, a obecnie jest adiunktem w Advanced Institute for Material Research (AIMR, gdzie Chen jest również afiliowany jako główny badacz) na Uniwersytecie Tohoku. Mohammad Mushfiqur Rahman jest doktorantem w grupie dr Prameya Upadhyayi. Zarówno Chen, jak i Upadhyaya są autorami korespondentami tej publikacji i są profesorami na Uniwersytecie Purdue. Chen jest profesorem fizyki i astronomii im. Karla Larka-Horovitza, profesorem inżynierii elektrycznej i komputerowej oraz dyrektorem Purdue Quantum Science and Engineering Institute. Upadhyaya jest adiunktem na wydziale inżynierii elektrycznej i komputerowej. Inni członkowie zespołu stowarzyszeni z Purdue to Andres Llacsahuanga Allcca (doktorant), dr Lina Liu (postdoc) i dr Lei Fu (postdoc) z grupy Chen, dr Avinash Rustagi (postdoc) z grupy Upadhyaya i dr Xingtao Liu (były asystent naukowy w Birck Nanotechnology Center).
„Ułożyliśmy i skręciliśmy antyferromagnes na sobie i voila mamy ferromagnes” – mówi Chen. „Jest to również uderzający przykład niedawno ujawnionego obszaru„ skręconego ”lub mory magnetyzmu w skręconych materiałach 2D, gdzie kąt skręcenia między dwiema warstwami daje potężne pokrętło strojenia i radykalnie zmienia właściwości materiału”.
„Aby wytworzyć skręconą podwójną dwuwarstwę CrI3, rozdzieramy jedną część dwuwarstwowej CrI3, obracamy i układamy na drugiej części, stosując tak zwaną technikę rozdzierania i układania” — wyjaśnia Cheng. „Dzięki magneto-optycznemu pomiarowi efektu Kerra (MOKE), który jest czułym narzędziem do badania zachowania magnetycznego aż do kilku warstw atomowych, zaobserwowaliśmy współistnienie rzędów ferromagnetycznych i antyferromagnetycznych, co jest cechą charakterystyczną magnetyzmu mory, a ponadto wykazaliśmy napięcie – wspomagane przełączanie magnetyczne. Taki magnetyzm mory jest nową formą magnetyzmu charakteryzującą się przestrzennie zmieniającymi się fazami ferromagnetycznymi i antyferromagnetycznymi, okresowo zmieniającymi się zgodnie z supersiecią mory.
Do tej pory firma Twistronics koncentrowała się głównie na modulowaniu właściwości elektronicznych, takich jak skręcony dwuwarstwowy grafen. Zespół Purdue chciał wprowadzić stopień swobody skrętu do wirowania i wybrał CrI3, materiał vdW sprzężony z antyferromagnetykiem międzywarstwowym. Skręcenie ułożonych w stos antyferromagnesów było możliwe dzięki wyprodukowaniu próbek o różnych kątach skręcenia. Innymi słowy, po wyprodukowaniu kąt skrętu każdego urządzenia zostaje ustalony, a następnie wykonywane są pomiary MOKE.
Obliczenia teoretyczne dla tego eksperymentu zostały wykonane przez Upadhyaya i jego zespół. Zapewniło to mocne wsparcie dla obserwacji dokonanych przez zespół Chena.
„Nasze obliczenia teoretyczne ujawniły bogaty diagram fazowy z niewspółliniowymi fazami TA-1DW, TA-2DW, TS-2DW, TS-4DW itd.”, mówi Upadhyaya.
Badania te składają się na trwającą ścieżkę badawczą zespołu Chena. Ta praca jest następstwem kilku powiązanych ostatnich publikacji zespołu związanych z nową fizyką i właściwościami “magnesów 2D”, takich jak “Emergence of electric-field-tunable interfacial ferromagnetism in 2D antiferromagnet heterostructures”, która została niedawno opublikowana w Nature Communications. Ta ścieżka badawcza oferuje ekscytujące możliwości w dziedzinie twistroniki i spintroniki.
“Zidentyfikowany magnes mory sugeruje nową klasę platformy materiałowej dla spintroniki i magnetoelektroniki” – mówi Chen. „Obserwowane przełączanie magnetyczne wspomagane napięciem i efekt magnetoelektryczny mogą prowadzić do obiecujących urządzeń pamięci i logiki spinowej. Jako nowy stopień swobody, skręt może mieć zastosowanie do szerokiego zakresu homo/heterobiwarstw magnesów vdW, otwierając możliwość do podążać za nową fizyką, jak również zastosowaniami spintronicznymi”.
Ta praca jest częściowo wspierana przez Biuro Naukowe Departamentu Energii USA (DOE) za pośrednictwem Quantum Science Center (QSC, National Quantum Information Science Research Center) i programu Multidyscyplinarnych Uniwersyteckich Inicjatyw Badawczych (MURI) Departamentu Obrony (FA9550- 20-1-0322). Cheng i Chen otrzymali również częściowe wsparcie z programu WPI-AIMR, JSPS KAKENHI Basic Science A (18H03858), New Science (18H04473 i 20H04623) oraz Tohoku University FRiD na wczesnych etapach badań. Upadhyaya docenia również wsparcie ze strony National Science Foundation (NSF) (ECCS-1810494). Masowe kryształy CrI3 są dostarczane przez grupę Zhiqiang Mao z Pennsylvania State University przy wsparciu US DOE (DE-SC0019068). Masowe kryształy hBN są dostarczane przez Kenji Watanabe i Takashi Taniguchi z National Institute for Materials Science w Japonii przy wsparciu JSPS KAKENHI (numery grantów 20H00354, 21H05233 i 23H02052) oraz World Premier International Research Center Initiative (WPI), MEXT, Japonia.