La combinaison de la twistronique et de la spintronique pourrait être le prochain pas de géant dans l’électronique quantique
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Twistronics n’est pas un nouveau mouvement de danse, un équipement d’exercice ou une nouvelle mode musicale. Non, c’est beaucoup 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 à plat, 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 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 de mémoire et de logique de spin prometteurs, ouvrant le monde de la physique à une toute nouvelle voie avec des applications spintroniques.
Une équipe de chercheurs en physique quantique et en matériaux de l’Université Purdue a introduit la torsion pour contrôler le degré de liberté de spin, en utilisant CrI3, un matériau de van der Waals (vdW) à couplage antiferromagnétique intercouche, comme support. Ils ont publié leurs découvertes, “Electrically accordable moiré magnetism in twisted double bilayers of chromium triiodide”, dans Électronique naturelle.
“Dans cette étude, nous avons fabriqué du CrI double bicouche torsadé3c’est-à-dire bicouche plus bicouche avec un angle de torsion entre eux », 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.
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 de Tohoku. Mohammad Mushfiqur Rahman est doctorant dans le groupe du Dr Pramey Upadhyaya. Chen et Upadhyaya sont les auteurs correspondants de cette publication et sont professeurs à l’Université Purdue. Chen est professeur de physique et d’astronomie Karl Lark-Horovitz, professeur de génie électrique et informatique et directeur du Purdue Quantum Science and Engineering Institute. Upadhyaya est professeur adjoint de génie électrique et informatique. Parmi les autres membres de l’équipe affiliés à Purdue figurent Andres Llacsahuanga Allcca (étudiant au doctorat), le Dr Lina Liu (postdoc) et le Dr Lei Fu (postdoc) du groupe de Chen, le Dr Avinash Rustagi (postdoc) du groupe d’Upadhyaya et le Dr Xingtao Liu. (ancien assistant de recherche au Birck Nanotechnology Center).
“Nous avons empilé et tordu un antiferromagnétique sur lui-même et voilà, nous avons obtenu un ferromagnétique”, explique Chen. “C’est également un exemple frappant de la zone récemment apparue de 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 la propriété du matériau.”
“Pour fabriquer du double bicouche torsadé CrI3on déchire une partie de la bicouche CrI3, faire pivoter et empiler sur l’autre partie, en utilisant la technique dite de déchirure et d’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 commutation magnétique assistée par tension. Un tel magnétisme moiré est une nouvelle forme de magnétisme présentant des phases ferromagnétiques et antiferromagnétiques variant dans l’espace, alternant périodiquement selon le super-réseau moiré.”
Jusqu’à présent, Twistronics s’est principalement concentré sur la modulation des propriétés électroniques, telles que le graphène bicouche torsadé. L’équipe Purdue a voulu introduire le degré de liberté de torsion pour tourner et a choisi d’utiliser CrI3, un matériau vdW à couplage antiferromagnétique intercouche. Le résultat des antiferromagnétiques empilés se tordant sur eux-mêmes a été rendu possible en ayant fabriqué des 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 étayé les observations auxquelles l’équipe de Chen est parvenue.
“Nos calculs théoriques ont révélé un diagramme de phase riche avec des phases non colinéaires de TA-1DW, TA-2DW, TS-2DW, TS-4DW, etc.”, déclare Upadhyaya.
Cette recherche se replie dans une voie de recherche en cours par l’équipe de Chen. Ce travail fait suite à plusieurs publications récentes connexes de l’équipe liées à la nouvelle physique et aux propriétés des “aimants 2D”, telles que “Emergence of electric-field-tunable interfacial ferromagnétisme dans les hétérostructures antiferromagnétiques 2D”, qui a récemment été publiée dans Nature Communications. Cette voie de recherche offre des possibilités intéressantes 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 peuvent 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 d’aimants vdW, ouvrant la possibilité de poursuivre la nouvelle physique ainsi que les applications spintroniques.”
Ce travail est partiellement soutenu par le Bureau des sciences du Département américain de l’énergie (DOE) par le biais du Centre des sciences quantiques (QSC, un centre national de recherche en sciences de l’information quantique) et du programme d’initiatives de recherche universitaire multidisciplinaire (MURI) du Département de la défense (DOD) (FA9550- 20-1-0322). Cheng et Chen ont également reçu un soutien partiel de WPI-AIMR, JSPS KAKENHI Basic Science A (18H03858), 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). CrI en vrac3 les cristaux sont fournis par le groupe de Zhiqiang Mao de la Pennsylvania State University sous le soutien du DOE américain (DE-SC0019068). Les cristaux de hBN en vrac sont fournis par Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi du National Institute for Materials Science au Japon avec le soutien du JSPS KAKENHI (Grant Numbers 20H00354, 21H05233 et 23H02052) et de la World Premier International Research Center Initiative (WPI), MEXT, Japon.
