先端エレクトロニクスのためのツイストロニクスとスピントロニクスの統合

パデュー大学の研究者らは、反強磁性体の二重層をスピンさせて、調整可能なモアレ磁性を実証した。

ツイストロニクスは、新しいダンスの動き、エクササイズ器具、または音楽の流行ではありません。 いや、そんなことよりずっとカッコいいよ。 これは、量子物理学と材料科学におけるエキサイティングな新展開であり、ファンデルワールス材料が層状に積み重ねられており、平らなまま簡単にねじれたり回転したりできる紙の束のように、量子物理学者はこれらのスタックを使用してきました。興味深い量子現象を発見します。

反磁性体のねじれた二重層による量子スピンの概念を追加することにより、モアレ磁気を調整することが可能になります。 これは、スピンエレクトロニクスの次のステップであるスピントロニクスのための新しいクラスの材料プラットフォームを示唆しています。 この新しい科学は、メモリとスピン ロジック用の有望なデバイスにつながり、スピントロニクスの応用で物理学の世界をまったく新しい道へ導く可能性があります。

ファンデルワールス磁石をひねることにより、大きな電気的同調性を備えた非線形磁気状態を出現させることができます。 クレジット: Ryan Allen、セカンド ベイ スタジオ

パデュー大学の量子物理学と材料の研究者チームは、CrI を使用して回転の自由度を制御するねじり技術を導入しました。₃、反強磁性中間層にメディエーターとして結合されたファンデルワールス（vdW）材料。 彼らは、「三ヨウ化クロムのねじれた二重二重層における電気的に調整可能なモアレ磁性」というタイトルの研究結果をジャーナルに発表しました。 ネイチャーエレクトロニクス。

「この研究では、CrI のねじれた二重層を作製しました。₃「つまり、二重層と、間にねじれた角度を持った二重層です」と、この出版物の共同筆頭著者であるグァンウェイ・チェン博士は述べています。 「豊富な磁気位相と電気的手法による優れた調整性を備えたモアレ磁気を報告します。」

ねじれ二重層 (tDB) CrI3 のスーパーモアレ構造と磁気光学カー効果 (MOKE) によって調査されたその磁気的挙動。 上のセクション A は、中間層をねじることによって製造された波形超格子の概略図を示しています。 底部パネル: 非線形磁気ケースを示すことができます。 上記のセクション B では、MOKE の結果が、天然の反強磁性 CrI3 二重層における AFM 秩序と比較して、tDB CrI3 「モアレ磁石」における強磁性 (AFM) 秩序と強磁性 (FM) 秩序の共存を実証していることを示しています。 クレジット: イラスト: Guanghui Cheng および Yong P. Chen

「反強磁性体を積み重ねてそれをねじり、強磁性体を完成させました」とチェン氏は言います。 「これは、2D ねじれ材料における最近出現した「ねじれ」磁性またはモアレの顕著な例でもあり、2 つの層間のねじれ角度が強力な調整ノブを提供し、材料特性を劇的に変化させます。」

「ツイスト二層CrIの作製用」₃CrI 二重層の一部を剥がします。₃「いわゆるティアアンドスタックテクニックを使用して、それを回転させて他のパーツの上に積み重ねます」と Cheng 氏は説明します。 「磁気の挙動を数原子層まで調査するための高感度ツールである磁気光学カー効果 (MOKE) を測定することにより、モアレ磁気の特徴である強磁性秩序と反強磁性秩序の共存を観察し、さらに電圧を実証しました。このような波動磁気は、モアレ超格子に従って周期的に交互する、空間的に変化する強磁性相と反強磁性相を特徴とする新しい形態の磁気である。

この時点まで、ツイストトロニクスは主に、ねじれた二重層などの電子特性を変更することに焦点を当ててきました。 グラフェン。 Purdue チームはローテーションにある程度の自由度を提供したいと考え、CrI の使用を選択しました。₃、vdW 材料と反磁性層を組み合わせたもの。 積層された反磁石自体のねじれ結果は、異なるねじれ角度でサンプルを作製することによって可能になります。 つまり、作製後は各デバイスのねじれ角が一定となり、MOKE測定が行われます。

この実験の理論計算は、Upadhyaya と彼のチームによって実行されました。 これは、チェン氏のチームが行った観察を強力に裏付けるものとなりました。

「私たちの理論計算により、TA-1DW、TA-2DW、TS-2DW、TS-4DW などの非線形相が豊富に含まれる状態図が明らかになりました」と Upadhyaya 氏は言います。

この研究は、チェン氏のチームによる進行中の研究の一部です。 この研究は、「2D 磁石」の新しい物理学と特性に関するチームによる最近のいくつかの関連出版物に続きます。2D磁性ヘテロ構造における電場調整可能な界面強磁性の出現」に最近掲載されました。 ネイチャーコミュニケーションズ。 この研究の道は、スピントロニクスおよびスピントロニクスの分野において刺激的な可能性を秘めています。

「同定された波形磁石は、スピントロニクスおよび磁気エレクトロニクスのための新しい種類の材料プラットフォームを示しています」とチェン氏は言います。 「観察された電圧補助磁気スイッチングと電磁効果は、有望なメモリおよびスピンロジックデバイスにつながる可能性があります。新しい自由度として、このひねりはvdW磁石の幅広いホモ/ヘテロ二重層に適用でき、次のような機会が開かれます。」新しい物理学とスピントロニクスの応用を追求します。」

参考文献: 「三ヨウ化クロムのツイスト二重層における電気的に調整可能なモアレ磁気」Guanghui Cheng、Muhammad Mushfiqur Ra​​hman、Andres Llacsahuanga Allcca、Avinash Rustagi、Xingtao Liu、Lina Liu、Lei Fu、Yanglin Zhu、Zhiqiang Mao、Kenji渡辺、Takashi Taniguchi 。 、プラミ・ウパディヤヤとヨン・ペイ・チェン、2023年6月19日、 ネイチャーエレクトロニクス。
土井: 10.1038/s41928-023-00978-0

このチームは主にパーデュー出身であり、主著者である Guangwei Cheng 博士と Muhammad Mushfiqur Ra​​hman という 2 人の同等の貢献者が含まれています。 Cheng 氏はパデュー大学の Yong-Pei Chen 博士のグループの博士研究員であり、現在は東北大学材料科学高等研究所 (AIMR、Chen 氏も主任研究員) の助教授を務めています。 Muhammad Mushfiqur Ra​​hman は、Prami Upadhyaya 博士のグループの博士課程の学生です。 Chen と Upadhyaya はこの出版物の責任著者であり、パデュー大学の教授です。 チェンは、物理学および天文学のカール・ラーク・ホロウィッツ教授、電気工学およびコンピュータ工学の教授、そしてパデュー量子科学工学研究所の所長です。 ウパディヤヤは電気工学およびコンピュータ工学の助教授です。 その他のパーデュー大学チームメンバーには、Chen のグループの Andres Laxahuanga Alka (博士課程の学生)、Lina Liu 博士 (博士研究員)、Li Fu 博士 (博士研究員)、Upadhyaya のグループの Avinash Rustagi 博士 (博士研究員)、および Xingtao Leo 博士が含まれます。 (バークナノテクノロジーセンターの元研究助手)。

この研究は、量子科学センター (QSC、国立量子情報科学研究センター) および国防省多分野大学研究イニシアチブ (MURI) プログラム (FA9550-) を通じて、米国エネルギー省 (DOE) 科学局によって部分的に支援されています。 1-0322）。 Cheng と Chen は研究の初期段階において、WPI-AIMR、JSPS 科研費基礎科学 A (18H03858)、New Science (18H04473 および 20H04623)、および東北大学 FRiD プログラムからも部分的な支援を受けました。

ウパディヤヤ氏はまた、国立科学財団 (NSF) (ECCS-1810494) からの支援にも感謝しています。 バルククリー₃ 結晶は、米国エネルギー省の支援を受けて、ペンシルベニア州立大学の Zhiqiang Mao グループによって提供されています (DE-SC0019068)。 hBN バルク結晶は、JSPS 科研費 (助成金番号 20H00354、21H05233、および 23H02052) および文部科学省世界プレミア国際研究センター (WPI) の支援を受けて、独立行政法人物質・材料研究機構の渡辺賢治氏と谷口崇氏によって提供されました。 、 日本。