توحيد Twistronics و Spintronics للإلكترونيات المتقدمة

يقوم باحثو جامعة بوردو بلف طبقات ثنائية مزدوجة من مغناطيس حديدي مضاد لإظهار مغناطيسية تموج في النسيج قابلة للضبط.

Twistronics ليست حركة رقص جديدة أو معدات تمرين أو بدعة موسيقية جديدة. لا، إنه أكثر برودة بكثير من أي شيء من هذا القبيل. إنه تطور جديد مثير في فيزياء الكم وعلم المواد حيث يتم تكديس مواد فان دير فالس فوق بعضها البعض في طبقات، مثل أوراق الورق في رزمة يمكن أن تلتوي وتدور بسهولة بينما تظل مسطحة، وقد استخدم علماء فيزياء الكم هذه مداخن لاكتشاف الظواهر الكمومية المثيرة للاهتمام.

وبإضافة مفهوم الدوران الكمي مع طبقات ثنائية ملتوية من مغناطيس مضاد، فمن الممكن أن يكون لدينا مغناطيسية تموج في النسيج قابلة للضبط. يشير هذا إلى وجود فئة جديدة من المنصات المادية للخطوة التالية في مجال الإلكترونيات الدورانية: الإلكترونيات السبينية. يمكن أن يؤدي هذا العلم الجديد إلى أجهزة واعدة للذاكرة ومنطق السبين، مما يفتح عالم الفيزياء أمام طريق جديد تمامًا مع تطبيقات الإلكترونيات السبينية.

من خلال لف مغناطيس فان دير فالس، يمكن أن تظهر حالات مغناطيسية غير خطية مع قابلية ضبط كهربائية كبيرة. ائتمان: ريان ألين، استوديوهات الخليج الثاني

قام فريق من الباحثين في فيزياء الكم والمواد في جامعة بوردو بإدخال تقنية الالتواء للتحكم في درجة حرية الدوران باستخدام CrI₃، وهي مادة فان دير فالس (vdW) المقترنة بالطبقة البينية المضادة للمغناطيسية، كوسيط لها. لقد نشروا النتائج التي توصلوا إليها بعنوان “مغناطيسية تموج في النسيج قابلة للضبط كهربائيًا في طبقات ثنائية مزدوجة ملتوية من ثلاثي يوديد الكروم” في مجلة إلكترونيات الطبيعة.

“في هذه الدراسة، قمنا بتصنيع طبقة مزدوجة ملتوية من CrI₃يقول الدكتور جوانجوي تشينج، المؤلف الرئيسي المشارك للنشرة: “أي طبقة ثنائية بالإضافة إلى طبقة ثنائية مع زاوية ملتوية بينهما”. “لقد أبلغنا عن مغناطيسية تموج في النسيج بمراحل مغناطيسية غنية وقابلية ضبط كبيرة بالطريقة الكهربائية.”

هيكل تموج في النسيج الفائق للطبقة المزدوجة الملتوية (tDB) CrI3 وسلوكياتها المغناطيسية التي تم فحصها بواسطة تأثير كير المغناطيسي البصري (MOKE). يُظهر القسم أ أعلاه المخطط التخطيطي للشبكة الفائقة المموجة المُصنّعة عن طريق التواء الطبقات البينية. اللوحة السفلية: يمكن أن تظهر حالة مغناطيسية غير خطية. يُظهر القسم ب أعلاه أن نتائج MOKE تُظهر التعايش بين أوامر المغناطيسية المغناطيسية (AFM) والمغناطيسية الحديدية (FM) في “مغناطيس تموج في النسيج” tDB CrI3 مقارنةً بأوامر AFM في طبقة ثنائية مغناطيسية طبيعية مضادة للمغناطيسية CrI3. الائتمان: رسم توضيحي بواسطة Guanghui Cheng و Yong P. Chen

يقول تشين: “لقد قمنا بتكديس مغناطيس حديدي مضاد ولفه على نفسه، وحصلنا على مغناطيس حديدي”. “هذا أيضًا مثال صارخ على المنطقة التي ظهرت مؤخرًا من المغناطيسية “الملتوية” أو تموج في النسيج في المواد الملتوية ثنائية الأبعاد، حيث توفر زاوية الالتواء بين الطبقتين مقبض ضبط قوي وتغير خاصية المادة بشكل كبير.”

“لتصنيع طبقة مزدوجة ملتوية CrI₃، نقوم بتمزيق جزء واحد من طبقة ثنائية CrI₃“، قم بتدويرها وتكديسها على الجزء الآخر، باستخدام ما يسمى بتقنية التمزق والتكديس”، يوضح تشنغ. “من خلال قياس تأثير كير المغنطيسي البصري (MOKE)، وهو أداة حساسة لاستكشاف السلوك المغناطيسي وصولاً إلى بضع طبقات ذرية، لاحظنا التعايش بين الأوامر المغناطيسية الحديدية والمضادة للمغناطيسية الحديدية، وهي السمة المميزة لمغناطيسية تموج في النسيج، كما أظهرنا الجهد الكهربي بشكل أكبر. -مساعدة التبديل المغناطيسي. مثل هذه المغناطيسية المموجة هي شكل جديد من أشكال المغناطيسية تتميز بمراحل مغناطيسية حديدية ومضادة للمغناطيسية متفاوتة مكانيًا، وتتناوب بشكل دوري وفقًا لشبكة تموج في النسيج الفائقة.

ركز علم التويسترونيك حتى هذه اللحظة بشكل أساسي على تعديل الخصائص الإلكترونية، مثل الطبقة الثنائية الملتوية الجرافين. أراد فريق بوردو تقديم درجة من الحرية في الدوران واختار استخدام CrI₃، مادة vdW مقترنة بطبقة مضادة للمغناطيسية. أصبحت نتيجة التواء المغناطيسات المضادة المكدسة على نفسها ممكنة من خلال تصنيع عينات بزوايا ملتوية مختلفة. بمعنى آخر، بمجرد تصنيعه، تصبح زاوية الالتواء لكل جهاز ثابتة، ومن ثم يتم إجراء قياسات MOKE.

تم إجراء الحسابات النظرية لهذه التجربة بواسطة Upadhyaya وفريقه. وقد قدم هذا دعما قويا للملاحظات التي توصل إليها فريق تشين.

يقول أوبادهيايا: “لقد كشفت حساباتنا النظرية عن مخطط طوري غني بأطوار غير خطية من TA-1DW، TA-2DW، TS-2DW، TS-4DW، وما إلى ذلك”.

يندرج هذا البحث في إطار بحث مستمر يقوم به فريق تشين. يتبع هذا العمل العديد من المنشورات الحديثة ذات الصلة التي أصدرها الفريق والمتعلقة بالفيزياء الجديدة وخصائص “المغناطيس ثنائي الأبعاد”، مثل “ظهور المغناطيسية الحديدية البينية القابلة للضبط في المجال الكهربائي في الهياكل المتغايرة المغناطيسية ثنائية الأبعاد“، والذي تم نشره مؤخرًا في اتصالات الطبيعة. يتمتع هذا الطريق البحثي بإمكانيات مثيرة في مجال الإلكترونيات الدورانية والإلكترونية الدورانية.

يقول تشين: “يشير المغناطيس المموج الذي تم تحديده إلى فئة جديدة من منصات المواد للإلكترونيات السبينية والإلكترونيات المغناطيسية”. “قد يؤدي التبديل المغناطيسي المدعوم بالجهد والتأثير الكهرومغناطيسي الملحوظ إلى ذاكرة واعدة وأجهزة منطق الدوران. وكدرجة جديدة من الحرية، يمكن تطبيق هذا الالتواء على مجموعة واسعة من الطبقات الثنائية المتجانسة/المغايرة لمغناطيس vdW، مما يفتح الفرصة لمتابعة فيزياء جديدة بالإضافة إلى تطبيقات الإلكترونيات السبينية.

المرجع: “مغناطيسية تموج في النسيج قابلة للضبط كهربائيًا في طبقات ثنائية مزدوجة ملتوية من ثلاثي يوديد الكروم” بقلم Guanghui Cheng، محمد مشفيق الرحمن، Andres Llacsahuanga Allcca، Avinash Rustagi، Xingtao Liu، Lina Liu، Lei Fu، Yanglin Zhu، Zhiqiang Mao، Kenji Watanabe، Takashi Taniguchi. ، برامي أوبادهايا ويونغ بي تشين، 19 يونيو 2023، إلكترونيات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41928-023-00978-0

يضم الفريق، ومعظمه من بوردو، مؤلفين رئيسيين مساهمين متساويين: الدكتور جوانجوي تشينج ومحمد مشفيق الرحمن. كان تشينغ باحثًا في مرحلة ما بعد الدكتوراه في مجموعة الدكتور يونج بي تشين في جامعة بوردو، وهو الآن أستاذ مساعد في المعهد المتقدم لأبحاث المواد (AIMR، حيث ينتمي تشين أيضًا كباحث رئيسي) في جامعة توهوكو. محمد مشفيق الرحمن طالب دكتوراه في مجموعة الدكتور برامي أوبادهيايا. يعد كل من تشين وأبادهيايا مؤلفين مراسلين لهذا المنشور وهما أستاذان في جامعة بوردو. تشين هو أستاذ كارل لارك هوروفيتز للفيزياء وعلم الفلك، وأستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر، ومدير معهد بوردو للعلوم والهندسة الكمومية. Upadhyaya هو أستاذ مساعد في الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات. ومن بين أعضاء الفريق الآخرين التابعين لجامعة بوردو أندريس لاكساهوانغا ألكا (طالب دكتوراه)، والدكتورة لينا ليو (ما بعد الدكتوراه)، والدكتور لي فو (ما بعد الدكتوراه) من مجموعة تشين، والدكتور أفيناش روستاجي (ما بعد الدكتوراه) من مجموعة أوبادهيايا والدكتور شينغتاو ليو. (مساعد باحث سابق في مركز بيرك لتقنية النانو).

يتم دعم هذا العمل جزئيًا من قبل مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) من خلال مركز علوم الكم (QSC، مركز أبحاث علوم معلومات الكم الوطني) وبرنامج المبادرات البحثية الجامعية متعددة التخصصات (MURI) التابع لوزارة الدفاع (FA9550-) 20-1-0322). تلقى Cheng وChen أيضًا دعمًا جزئيًا من WPI-AIMR وJSPS KAKENHI Basic Science A (18H03858) وNew Science (18H04473 و20H04623) وبرنامج FRiD بجامعة توهوكو في المراحل الأولى من البحث.

يقر Upadhyaya أيضًا بالدعم المقدم من المؤسسة الوطنية للعلوم (NSF) (ECCS-1810494). السائبة كري₃ يتم توفير البلورات من قبل مجموعة Zhiqiang Mao من جامعة ولاية بنسلفانيا بدعم من وزارة الطاقة الأمريكية (DE-SC0019068). يتم توفير بلورات hBN السائبة بواسطة كينجي واتانابي وتاكاشي تانيجوتشي من المعهد الوطني لعلوم المواد في اليابان بدعم من JSPS KAKENHI (أرقام المنح 20H00354 و21H05233 و23H02052) ومبادرة المركز العالمي الأول للأبحاث الدولية (WPI)، MEXT، اليابان.