先进电子学中双电子学和自旋电子学的统一

普渡大学的研究人员旋转双层反铁磁体来展示可调谐的莫尔磁性。

Twistronics 并不是一种新的舞蹈动作、健身器材或音乐时尚。 不，这比任何类似的事情都要酷得多。 这是量子物理学和材料科学中令人兴奋的新发展，其中范德华材料分层堆叠，就像堆叠的纸张一样，可以轻松扭转和翻转，同时保持平坦，量子物理学家已经使用了这些堆叠发现有趣的量子现象。

通过将量子自旋的概念与反磁体的扭曲双层相结合，就有可能获得可调谐的莫尔磁性。 这为自旋电子学的下一步提出了一种新的材料平台：自旋电子学。 这门新科学可能会带来有前途的存储器和自旋逻辑器件，为物理学世界开辟一条自旋电子学应用的全新道路。

通过扭转范德华磁体，可以出现具有大电可调性的非线性磁态。 图片来源：Ryan Allen，第二湾工作室

普渡大学量子物理和材料研究团队引入了一种扭转技术，利用 CrI 控制旋转自由度。₃，一种范德华 (vdW) 材料耦合到反铁磁夹层，作为其介体。 他们在期刊上发表了题为“三碘化铬扭曲双双层中的电可调莫尔磁性”的研究结果 自然电子学。

“在这项研究中，我们制造了一种扭曲的双层 CrI₃“也就是说，一个双层加上一个双层，中间有一个扭曲的角度，”该出版物的共同主要作者程光伟博士说。 “我们通过电学方法报告了具有丰富磁相和良好可调性的莫尔磁性。”

通过磁光克尔效应 (MOKE) 研究扭曲双层 (tDB) CrI3 的超云纹结构及其磁性行为。 上面的A部分显示了通过扭转中间层制造的波纹超晶格的示意图。 底部面板：可以显示非线性磁性情况。 上面的 B 部分显示，MOKE 结果表明，与天然反铁磁 CrI3 双层中的 AFM 级相比，tDB CrI3“莫尔磁体”中铁磁 (AFM) 和铁磁 (FM) 级共存。 图片来源：Guanghui Cheng 和 Yong P. Chen 插图

“我们堆叠了一个反铁磁体并将其扭转，我们得到了一个铁磁体，”陈说。 “这也是二维扭曲材料中最近出现的‘扭曲’磁性或摩尔纹区域的一个引人注目的例子，其中两层之间的扭曲角度提供了强大的调谐旋钮，并极大地改变了材料特性。”

“用于制造扭曲双层 CrI₃，我们撕下 CrI 双层的一部分₃“使用所谓的撕裂和堆叠技术，旋转它并将其堆叠在另一部分的顶部，”Cheng 解释道。 “通过测量磁光克尔效应 (MOKE)（一种用于探测低至几个原子层的磁性行为的敏感工具），我们观察到了铁磁和反铁磁有序的共存，这是莫尔磁性的标志，并进一步证明了电压。磁切换。这种波磁是一种新形式的磁，其特征是空间变化的铁磁和反铁磁相，根据莫尔超晶格周期性地交替。

到目前为止，twisttronics 主要致力于改变电子特性，例如扭曲双层 石墨烯。 普渡大学团队希望提供一定程度的轮换自由度，并选择使用 CrI₃，vdW材料与防磁层结合。 通过制造具有不同扭转角度的样品，可以实现堆叠反磁体自身的扭转结果。 换句话说，一旦制造完成，每个装置的扭转角就变得恒定，然后进行MOKE测量。

该实验的理论计算由 Upadhyaya 和他的团队进行。 这为陈团队的观察提供了有力的支持。

“我们的理论计算揭示了富含 TA-1DW、TA-2DW、TS-2DW、TS-4DW 等非线性相位的相图，”Upadhyaya 说。

这项研究是陈团队正在进行的研究的一部分。 这项工作是在该团队最近发表的几篇与“二维磁铁”的新物理和特性相关的出版物之后进行的，例如“二维磁性异质结构中电场可调界面铁磁性的出现”，最近发表在 自然通讯。 该研究途径在自旋电子学和自旋电子学领域具有令人兴奋的潜力。

“所确定的波纹磁体指向自旋电子学和磁电子学的新型材料平台，”陈说。 “观察到的电压辅助磁开关和电磁效应可能会带来有前途的记忆和自旋逻辑器件。作为一种新的自由度，这种扭曲可以应用于广泛的 vdW 磁体同质/异质双层，为追求新的物理学和自旋电子学应用。”

参考文献：“三碘化铬扭曲双双层中的电可调莫尔磁”，作者：Guanghui Cheng、Muhammad Mushfiqur Ra​​hman、Andres Llacsauanga Allcca、Avinash Rustagi、Xingtao Liu、Lina Liu、Lei Fu、Yanglin Zhu、Zhiqiang Mao、Kenji Watanabe、Takashi Taniguchi 。 ，Prami Upadhyaya 和 Yong Pei Chen，2023 年 6 月 19 日， 自然电子学。
号码：10.1038/s41928-023-00978-0

该团队主要来自普渡大学，包括两位同等贡献的主要作者：Guangwei Cheng 博士和 Muhammad Mushfiqur Ra​​hman。 程先生曾是普渡大学陈永培博士课题组的博士后研究员，现在是东北大学材料高级研究所（AIMR，陈先生也是该研究所的首席研究员）的助理教授。 Muhammad Mushfiqur Ra​​hman 是 Prami Upadhyaya 博士小组的博士生。 Chen 和 Upadhyaya 是该出版物的通讯作者，并且是普渡大学的教授。 陈是卡尔·拉克·霍洛维茨物理和天文学教授、电气和计算机工程教授以及普渡大学量子科学与工程研究所所长。 Upadhyaya 是电气和计算机工程助理教授。 普渡大学团队的其他成员包括陈教授课题组的Andres Laxauana Alka博士（博士生）、Lina Liu博士（博士后）、李付博士（博士后）、Upadhyaya课题组的Avinash Rustagi博士（博士后）和Xingtao Leo博士。 （伯克纳米技术中心前研究助理）。

这项工作得到了美国能源部 (DOE) 科学办公室通过量子科学中心（QSC，国家量子信息科学研究中心）和国防部多学科大学研究计划 (MURI) 计划 (FA9550-) 的部分支持20- 1 -0322）。 Cheng和Chen在研究的早期阶段还得到了WPI-AIMR、JSPS KAKENHI Basic Sc​​ience A (18H03858)、New Science (18H04473和20H04623)以及东北大学FRiD计划的部分支持。

Upadhyaya 还感谢美国国家科学基金会 (NSF) (ECCS-1810494) 的支持。 散装克里₃ 晶体由宾夕法尼亚州立大学毛志强小组在美国能源部的支持下提供（DE-SC0019068）。 块状六方氮化硼晶体由日本国家材料科学研究所的 Kenji Watanabe 和 Takashi Taniguchi 提供，并得到 JSPS KAKENHI（拨款号 20H00354、21H05233 和 23H02052）和 MEXT 世界顶级国际研究计划中心 (WPI) 的支持， 日本。