Los investigadores cuánticos de Purdue tuercen bicapas dobles de un antiferroimán para demostrar un magnetismo muaré sintonizable.

Twistronics no es un nuevo movimiento de baile, un equipo de ejercicio o una nueva moda musical. No, es mucho más genial que todo eso. Es un nuevo e interesante avance en la física cuántica y la ciencia de los materiales, donde los materiales de Van der Waals se apilan unos encima de otros en capas, como hojas de papel en una resma que pueden torcerse y girar fácilmente sin dejar de permanecer planas, y los físicos cuánticos han utilizado estas pilas para descubrir fenómenos cuánticos intrigantes.

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

Al girar un imán de Van der Waals, pueden surgir estados magnéticos no colineales con una sintonización eléctrica significativa. Crédito: Ryan Allen, Second Bay Studios

Un equipo de investigadores de materiales y física cuántica de la Universidad Purdue ha introducido el giro para controlar el grado de libertad del espín, utilizando CrI.₃, un material de van der Waals (vdW) acoplado a capas intermedias antiferromagnéticas, como medio. Publicaron sus hallazgos, “Magnetismo muaré eléctricamente sintonizable en dobles bicapas retorcidas de triyoduro de cromo”, en Electrónica de la naturaleza.

“En este estudio, fabricamos CrI de doble capa retorcida₃, es decir, bicapa más bicapa con un ángulo de torsión entre ellas”, afirma el Dr. Guanghui Cheng, coautor principal de la publicación. «Informamos magnetismo muaré con fases magnéticas ricas y una capacidad de sintonización significativa mediante el método eléctrico».

La estructura de superred muaré de la doble bicapa retorcida (tDB) CrI3 y sus comportamientos magnéticos investigados mediante el efecto Kerr magnetoóptico (MOKE). La sección a anterior muestra el esquema de la superred de muaré fabricada mediante torsión de capas intermedias. Panel inferior: puede surgir un estado magnético no colineal. La sección b anterior muestra que los resultados de MOKE muestran la coexistencia de órdenes antiferromagnéticos (AFM) y ferromagnéticos (FM) en el tDB CrI3 del «imán muaré» en comparación con los órdenes AFM en la bicapa antiferromagnética natural CrI3. Crédito: Ilustración de Guanghui Cheng y Yong P. Chen

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

“Para fabricar CrI de doble capa retorcida₃arrancamos parte de la bicapa CrI₃, rotar y apilar sobre la otra pieza, utilizando la llamada técnica de rasgar y apilar”, explica Cheng. “Al medir el efecto Kerr magnetoóptico (MOKE), que es una herramienta sensible para sondear el comportamiento magnético hasta unas pocas capas atómicas, observamos la coexistencia de órdenes ferromagnéticos y antiferromagnéticos, que es el sello distintivo del magnetismo muaré, y además demostrado más conmutación magnética asistida por voltaje. Tal magnetismo muaré es una nueva forma de magnetismo que presenta fases ferromagnéticas y antiferromagnéticas espacialmente variadas, que se alternan periódicamente según la superred muaré”.

Hasta ahora, Twistronics se ha centrado principalmente en modular propiedades electrónicas como la bicapa trenzada. grafeno. El equipo de Purdue quería introducir un grado de libertad de torsión para rotar y optó por utilizar CrI.₃, un material vdW acoplado a capas intermedias antiferromagnéticas. El resultado de antiferroimanes apilados que se retuercen sobre sí mismos fue posible fabricando muestras con diferentes ángulos de torsión. En otras palabras, una vez fabricado, el ángulo de giro de cada dispositivo se vuelve fijo y luego se realizan las mediciones MOKE.

Los cálculos teóricos de 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 revelaron un rico diagrama de fases con fases no colineales de TA-1DW, TA-2DW, TS-2DW, TS-4DW, etc.», dice Upadhyaya.

Esta investigación se convierte en una vía de investigación continua para el equipo de Chen. Este trabajo sigue a varias publicaciones recientes del equipo relacionadas con nueva física y propiedades de los «imanes 2D», como «Aparición de ferromagnetismo interfacial sintonizable por campo eléctrico en heteroestructuras antiferromagnéticas 2D”, publicado recientemente en Comunicaciones de la naturaleza. Esta línea de investigación tiene interesantes posibilidades en el campo de la twistrónica y la espintrónica.

«El imán muaré identificado sugiere una nueva clase de plataforma material para la espintrónica y la magnetoelectrónica», afirma Chen. “La conmutación magnética asistida por voltaje y el efecto magnetoeléctrico observados podrían conducir a dispositivos prometedores de memoria y lógica de espín. Como nuevo grado de libertad, la torsión puede aplicarse a una amplia gama de imanes vdW homo/heterobicapa, lo que abre la oportunidad de buscar nuevas aplicaciones físicas y espintrónicas”.

Referencia: “Magnetismo muaré eléctricamente sintonizable en bicapas dobles retorcidas de triyoduro de cromo” por Guanghui Cheng, Mohammad Mushfiqur Rahman, Andres Llacsahuanga Allcca, Avinash Rustagi, Xingtao Liu, Lina Liu, Lei Fu, Yanglin Zhu, Zhiqiang Mao, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi , Pramey Upadhyaya y Yong P. Chen, 19 de junio de 2023, Electrónica de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41928-023-00978-0

El equipo, principalmente de Purdue, tiene dos autores principales con contribuciones iguales: el Dr. Guanghui Cheng y Mohammad Mushfiqur Rahman. Cheng fue becario postdoctoral en el grupo del Dr. Yong P. Chen en la Universidad Purdue y ahora es profesor asistente en el Instituto Avanzado de Investigación de Materiales (AIMR, donde Chen también está afiliado como investigador principal) en la Universidad de Tohoku. Mohammad Mushfiqur Rahman es estudiante de doctorado en el grupo del Dr. Pramey Upadhyaya. Chen y Upadhyaya son autores correspondientes de esta publicación y profesores de la Universidad Purdue. Chen es profesor Karl Lark-Horovitz de Física y Astronomía, profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática y director del Instituto Purdue de Ingeniería y Ciencia Cuántica. Upadhyaya es profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática. Otros miembros del equipo afiliados a Purdue incluyen a Andrés Llacsahuanga Allcca (estudiante de doctorado), la Dra. Lina Liu (postdoctoral) y la Dra. Lei Fu (postdoctoral) del grupo de Chen, Dr. (ex asistente de investigación en el Centro de Nanotecnología Birck).

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, un Centro Nacional de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica) y el programa de Iniciativas de Investigación Universitaria Multidisciplinaria (MURI) del Departamento de Defensa. (DOD) (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). CRI a granel₃ Los cristales son proporcionados por el grupo de Zhiqiang Mao en 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 la Iniciativa del Centro de Investigación Internacional Premier Mundial (WPI), MEXT, Japón.