Révolution quantique : l’alliance de la twistronique et de la spintronique pour l’électronique avancée

Patrick Lesggie

La twistronique, un nouveau domaine de la physique quantique, consiste à empiler des matériaux de van der Waals pour explorer de nouveaux phénomènes quantiques. Les chercheurs de l’Université Purdue ont fait progresser ce domaine en introduisant le spin quantique dans des doubles bicouches d’antiferromagnétiques tordues, ce qui a conduit à un magnétisme moiré réglable. Cette percée suggère de nouveaux matériaux pour la spintronique et promet des avancées dans les dispositifs de mémoire et de logique de spin. Source : Les chercheurs en physique quantique de Purdue tordent des doubles bicouches d’un antiferromagnétique pour démontrer un magnétisme moiré réglable.La twistronique n’est ni une nouvelle danse, ni de l’équipement d’exercice, ni une nouvelle mode musicale. Non, c’est beaucoup plus cool que tout cela. Il s’agit d’un nouveau développement passionnant en physique quantique et en science des matériaux, où des matériaux de van der Waals sont empilés les uns sur les autres, comme des feuilles de papier dans une rame, qui peuvent facilement se tordre et pivoter tout en restant plates, et les physiciens quantiques ont utilisé ces empilements pour découvrir des phénomènes quantiques intrigants.En ajoutant le concept de spin quantique avec des doubles bicouches tordues d’un antiferromagnétique, il est possible d’obtenir un magnétisme moiré réglable. Cela suggère une nouvelle classe de plateforme matérielle pour la prochaine étape de la twistronique : la spintronique. Cette nouvelle science pourrait conduire à des dispositifs de mémoire prometteurs et des dispositifs de logique de spin, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives en physique avec des applications spintroniques.En tordant un aimant de van der Waals, des états magnétiques non-colinéaires peuvent émerger avec une accordabilité électrique significative. Source : Ryan Allen, Second Bay StudiosUne équipe de chercheurs en physique quantique et en science des matériaux de l’Université Purdue a introduit la torsion pour contrôler le degré de liberté de spin, en utilisant le CrI3, un matériau de van der Waals couplé antiferromagnétique entre couches, comme support. Ils ont publié leurs résultats, « Magnétisme moiré réglable électriquement dans des doubles bicouches tordues de triiodure de chrome », dans Nature Electronics. »Dans cette étude, nous avons fabriqué des doubles bicouches CrI3 tordues, c’est-à-dire bicouche plus bicouche avec un angle de torsion entre elles », explique le Dr. Guanghui Cheng, co-premier auteur de la publication. « Nous rapportons un magnétisme moiré avec des phases magnétiques riches et une accordabilité significative par la méthode électrique. »La structure superlatique moirée des doubles bicouches tordues (tDB) CrI3 et ses comportements magnétiques étudiés par l’effet Kerr optique magnéto-optique (MOKE). La section a ci-dessus montre le schéma d’une superstructure moirée fabriquée par torsion entre les couches. Panneau inférieur : un état magnétique non-colinéaire peut émerger. La section b ci-dessus montre des résultats MOKE montrant la coexistence d’ordres antiferromagnétiques (AFM) et ferromagnétiques (FM) dans le « moiré magnétique » tDB CrI3 par rapport aux ordres AFM dans la bicouche antiferromagnétique naturelle CrI3. Source : Illustration de Guanghui Cheng et Yong P. Chen »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 du domaine récemment émergent du magnétisme « tordu » ou moiré dans les matériaux 2D tordus, où l’angle de torsion entre les deux couches donne un puissant bouton de réglage et change considérablement la propriété du matériau. » »Pour fabriquer des doubles bicouches tordues CrI3, nous déchirons une partie de la bicouche CrI3, la tournons et l’empilons sur l’autre partie, en utilisant la technique appelée déchirer et empiler », explique Cheng. « Grâce à la mesure de l’effet Kerr optique magnéto-optique (MOKE), qui est un outil sensible pour sonder le comportement magnétique jusqu’à quelques couches atomiques, nous avons observé la coexistence des ordres ferromagnétiques et antiferromagnétiques, qui est la marque du magnétisme moiré, et avons également démontré la commutation magnétique assistée par la tension. Un tel magnétisme moiré est une nouvelle forme de magnétisme présentant des phases ferromagnétiques et antiferromagnétiques variant spatialement, alternant périodiquement en fonction de la superstructure moirée. »Jusqu’à présent, la twistronique s’est principalement concentrée sur la modulation des propriétés électroniques, comme le graphène bicouche tordu. L’équipe de Purdue a voulu introduire la torsion pour le degré de liberté de spin et a choisi d’utiliser le CrI3, un matériau de van der Waals couplé antiferromagnétique intercouche. Le résultat du tournage d’antiferromagnétiques empilés sur eux-mêmes a été rendu possible en fabriquant des échantillons avec différents angles de torsion. Autrement dit, une fois fabriqué, l’angle de rotation de chaque dispositif devient fixe, puis des mesures MOKE sont effectuées.Des calculs théoriques pour cette expérience ont été effectués par Upadhyaya et son équipe. Cela a apporté un soutien solide aux observations de l’équipe de Chen. »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., » explique Upadhyaya.Cette recherche s’inscrit dans une avenue de recherche en cours de l’équipe de Chen. Ce travail fait suite à plusieurs publications récentes connexes de l’équipe liées aux nouvelles physiques et propriétés des « aimants 2D », telles que « Émergence d’un ferromagnétisme interfacial accordable par champ électrique dans des hétérostructures antiferromagnétiques 2D », publiée récemment dans Nature Communications. Cette avenue de recherche offre des perspectives passionnantes dans le domaine de la twistronique et de la spintronique. »Le magnétisme moiré identifié suggère une nouvelle classe de plateforme matérielle pour la spintronique et la magnétoélectronique », déclare 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 s’appliquer à la vaste gamme d’homo/hétérobicouches de matériaux magnétiques de van der Waals, ouvrant ainsi la possibilité de poursuivre de nouvelles physiques ainsi que des applications spintroniques. »Référence : « Magnétisme moiré réglable électriquement dans des doubles bicouches tordues de triiodure de chrome » par 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 et Yong P. Chen, 19 juin 2023, Nature Electronics. DOI : 10.1038/s41928-023-00978-0L’équipe, composée principalement de membres de l’Université Purdue, compte deux co-premiers auteurs contribuant de manière égale. Le Dr. Guanghui Cheng et Mohammad Mushfiqur Rahman. Cheng était post-doctorant dans le groupe du Dr. Yong P. Chen à l’Université Purdue et est maintenant professeur adjoint à l’Advanced Institute for Material Research (AIMR, où Chen est également affilié en tant qu’investigateur principal) à l’Université de Tohoku. Mohammad Mushfiqur Rahman est un 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 le professeur Karl Lark-Horovitz de physique et astronomie, professeur de génie électrique et informatique, et directeur de l’Institut de science et d’ingénierie quantiques de Purdue.