Guillaume Rolland
Twistronics n’est pas un nouveau mouvement de danse, un équipement d’exercice ou une nouvelle mode musicale. Non, c’est beaucoup moreover great 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 idea de spin quantique avec des doubles bicouches torsadées d’un antiferromagnétique, il est feasible 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 apps 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 Mother nature Electronics.
“Dans cette étude, nous avons fabriqué une double bicouche torsadée CrI3, c’est-à-dire une bicouche in addition une bicouche avec un angle de torsion entre elles”, 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 Centre).
“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 une double bicouche torsadée CrI3, nous déchirons une partie de la bicouche CrI3, la faisons tourner et l’empilons sur l’autre partie, en utilisant la method dite de déchirure et d’empilement”, explique Cheng. “Grâce à la mesure magnéto-optique de l’effet Kerr (MOKE), qui est un outil practical 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 rigidity -commutation magnétique assistée. 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 de Purdue a voulu introduire le degré de liberté de torsion en rotation 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 attainable 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 section riche avec des phases non colinéaires de TA-1DW, TA-2DW, TS-2DW, TS-4DW, and so forth.”, déclare Upadhyaya.
“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 purposes 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 countrywide 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 Primary 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 Countrywide Science Foundation (NSF) (ECCS-1810494). Les cristaux de CrI3 en vrac sont fournis par le groupe de Zhiqiang Mao de l’Université d’État de Pennsylvanie sous le soutien du DOE américain (DE-SC0019068). Les cristaux de hBN en vrac sont fournis par Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi du Countrywide Institute for Components Science au Japon avec le soutien du JSPS KAKENHI (Grant Figures 20H00354, 21H05233 et 23H02052) et de la Globe Leading Intercontinental Exploration Center Initiative (WPI), MEXT, Japon.
