Quantensprung in der Elektronik: Fusion von Twistronik und Spintronik

von Santiago Fernandez
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moiré magnetism

Im Bereich der Quantenphysik umfasst das aufstrebende Gebiet der Twistronik die Schichtung von Van-der-Waals-Materialien, um neues Quantenverhalten zu entdecken. Forscher der Purdue University haben auf diesem Gebiet einen bedeutenden Fortschritt erzielt. Sie haben Quantenspin in verdrillte Doppelschichten aus antiferromagnetischen Materialien eingebaut und so einstellbare Moiré-Magnetmuster erzeugt. Diese Entwicklung eröffnet potenzielle neue Wege im Bereich der Spintronik mit Auswirkungen auf die Zukunft von Speichergeräten und spinbasierten Logiksystemen. Quelle: SciTechPost.com

Das Team der Purdue University in der Quantenphysik hat bemerkenswerte Fortschritte gemacht, indem es Doppeldoppelschichten aus antiferromagnetischen Materialien manipuliert hat, um einen einstellbaren Moiré-Magnetismus zu erzeugen.

Twistronics ist weit davon entfernt, ein trendiges Tanz- oder Musikgenre zu sein, sondern stellt eine bahnbrechende Entwicklung in der Quantenphysik und Materialwissenschaft dar. Bei dieser Technik werden Van-der-Waals-Materialien auf eine Weise gestapelt, die dem Schichten von Papierbögen ähnelt, was eine einfache Drehung und Handhabung ermöglicht. Durch diese gestapelten Schichten haben Quantenphysiker faszinierende Quantenphänomene entdeckt.

Durch die Integration des Konzepts des Quantenspins mit verdrehten Doppelschichten eines Antiferromagneten haben Forscher das Potenzial für einen abstimmbaren Moiré-Magnetismus erschlossen. Diese Innovation läutet eine neue Klasse von Materialien für die aufstrebenden Bereiche Twistronik und Spintronik ein, die möglicherweise zu bahnbrechenden Speicher- und Spin-Logik-Geräten führen und neue Möglichkeiten in der Physik und in spintronischen Anwendungen eröffnen.

Mithilfe von Van-der-Waals-Magneten konnte das Team der Purdue University nichtkollineare magnetische Zustände mit bemerkenswerter elektrischer Abstimmbarkeit erzeugen. Bildnachweis: Ryan Allen, Second Bay Studios

Das auf Quantenphysik und Materialforschung spezialisierte Team der Purdue University hat CrI3, ein Van-der-Waals-Material (vdW) mit antiferromagnetischer Zwischenschichtkopplung, zur Manipulation des Spins eingesetzt. Ihre in Nature Electronics veröffentlichte Forschung mit dem Titel „Electrically tunable moiré magnetism in twisted double bilayers of chromium triiodide“ präsentiert bahnbrechende Erkenntnisse.

Dr. Guanghui Cheng, Co-Hauptautor der Studie, erklärt: „Wir haben eine verdrehte Doppelschicht aus CrI3 konstruiert und so einen Verdrehungswinkel zwischen zwei Doppelschichten erzeugt. Unsere Ergebnisse zeigen Moiré-Magnetismus, der durch verschiedene magnetische Phasen und eine erhebliche elektrische Abstimmbarkeit gekennzeichnet ist.“

Die Forschung zeigt die Moiré-Übergitterstruktur in Twisted Double Bilayer (tDB) CrI3 und ihre magnetischen Eigenschaften, die durch magneto-optische Kerr-Effekt-Analyse (MOKE) ermittelt wurden. Die Studie veranschaulicht, wie in dieser Struktur nichtkollineare magnetische Zustände entstehen können und wie antiferromagnetische und ferromagnetische Ordnungen nebeneinander existieren, ein charakteristisches Merkmal des Moiré-Magnetismus. Bildnachweis: Illustration von Guanghui Cheng und Yong P. Chen

Chen betont: „Durch das Stapeln und Drehen eines Antiferromagneten haben wir eine Umwandlung in einen Ferromagneten erreicht. Dies veranschaulicht das aufkommende Feld des Moiré-Magnetismus in verdrehten 2D-Materialien, bei denen der Verdrehungswinkel die Materialeigenschaften dramatisch verändert.“

Cheng beschreibt ihre Methode und fügt hinzu: „Wir verwendeten die Tear-and-Stack-Technik, um verdrillte Doppeldoppelschichten aus CrI3 herzustellen. Mithilfe der MOKE-Messung haben wir sowohl ferromagnetische als auch antiferromagnetische Ordnungen, das Kennzeichen des Moiré-Magnetismus, nachgewiesen und spannungsunterstütztes magnetisches Schalten demonstriert.“

Bisher konzentrierte sich Twistronics hauptsächlich auf die Anpassung elektronischer Eigenschaften, beispielsweise bei verdrilltem Doppelschicht-Graphen. Das Purdue-Team versuchte jedoch, dieses Konzept mithilfe von CrI3 auf den Spinfreiheitsgrad anzuwenden. Durch die Herstellung von Proben mit unterschiedlichen Verdrehungswinkeln konnten sie neue magnetische Verhaltensweisen beobachten.

Theoretische Unterstützung für dieses Experiment lieferte Upadhyayas Team und bestätigte die Beobachtungen von Chens Team.

Upadhyaya erklärt: „Unsere theoretische Arbeit hat ein komplexes Phasendiagramm mit verschiedenen nichtkollinearen Phasen enthüllt. Diese Forschung steht im Einklang mit den laufenden Untersuchungen von Chens Team zur neuartigen Physik und den Eigenschaften von 2D-Magneten.“

„Diese Forschung markiert eine neue Richtung für die Spintronik und Magnetoelektronik“, bemerkt Chen. „Die beobachteten Phänomene, wie etwa das spannungsunterstützte magnetische Schalten, könnten zu innovativen Speicher- und Spin-Logik-Geräten führen.“ Die Wendung führt eine neue Variable in die Untersuchung von vdW-Magneten ein und ebnet den Weg für die Erforschung neuer physikalischer und spintronischer Anwendungen.“

Referenz: „Elektrisch abstimmbarer Moiré-Magnetismus in verdrehten Doppelbischichten aus Chromtriiodid“ von Guanghui Cheng et al., 19. Juni 2023, Nature Electronics. DOI: 10.1038/s41928-023-00978-0

Das Purdue-Team unter der Leitung von Dr. Guanghui Cheng und Mohammad Mushfiqur Rahman hat maßgeblich zu dieser Forschung beigetragen. Cheng, früher Postdoktorand in der Gruppe von Dr. Yong P. Chen in Purdue, ist jetzt Assistenzprofessor am AIMR der Tohoku-Universität, während Rahman promoviert. Student in der Gruppe von Dr. Pramey Upadhyaya. Sowohl Chen als auch Upadhy

Häufig gestellte Fragen (FAQs) zum Moiré-Magnetismus

Was ist der wichtigste Fortschritt der Purdue University auf dem Gebiet der Quantenphysik?

Forscher der Purdue University haben einen bedeutenden Fortschritt in der Quantenphysik erzielt, indem sie Quantenspin in verdrillte Doppeldoppelschichten aus antiferromagnetischen Materialien integriert haben. Dies hat zur Schaffung einstellbarer Moiré-Magnetmuster geführt, die möglicherweise den Bereich der Spintronik revolutionieren und sich auf die Entwicklung von Speichergeräten und spinbasierten Logiksystemen auswirken.

Was sind Twistronik und Spintronik, wie in der Forschung erwähnt?

Twistronics ist ein aufstrebendes Gebiet der Quantenphysik und Materialwissenschaft, bei dem Van-der-Waals-Materialien in Schichten gestapelt werden, um neue Quantenphänomene zu entdecken. Spintronik hingegen bezieht sich auf die Untersuchung des intrinsischen Spins des Elektrons und des damit verbundenen magnetischen Moments zusätzlich zu seiner grundlegenden elektronischen Ladung in Festkörpergeräten.

Welchen Beitrag leistet die Forschung an der Purdue University zum Bereich Twistronics?

Die Forschung an der Purdue University hat zur Twistronik beigetragen, indem sie einen abstimmbaren Moiré-Magnetismus durch die Manipulation verdrillter Doppeldoppelschichten eines antiferromagnetischen Materials demonstrierte. Dieses Ergebnis deutet auf neue Materialplattformen für die Spintronik hin und verspricht Fortschritte bei Speicher- und Spinlogikgeräten.

Welche Bedeutung hat der Moiré-Magnetismus in dieser Forschung?

Der Moiré-Magnetismus ist für diese Forschung von Bedeutung, da er eine neuartige Form des Magnetismus mit räumlich variierenden ferromagnetischen und antiferromagnetischen Phasen darstellt. Es wird in der Moiré-Übergitterstruktur der verdrehten Doppelschicht aus Chromtriiodid (CrI3) beobachtet und ist durch die Koexistenz ferromagnetischer und antiferromagnetischer Ordnungen gekennzeichnet, was für die Weiterentwicklung der Spintronik von entscheidender Bedeutung ist.

Welche zukünftigen Anwendungen werden von dieser Forschung in der Quantenphysik erwartet?

Die Fortschritte in der Twistronik und Spintronik aus dieser Forschung haben das Potenzial, zu innovativen Speicher- und Spin-Logik-Geräten zu führen. Die Manipulation des Moiré-Magnetismus und die Einführung neuer Materialien in der Spintronik könnten neue Wege in der Elektronik eröffnen und möglicherweise die Herangehensweise an Datenspeicherung und Rechenlogik revolutionieren.

Mehr über Moiré-Magnetismus

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5 Kommentare

Samantha R. Dezember 25, 2023 - 9:10 am

Es ist beeindruckend, wie sich Twisttronics weiterentwickelt. Die Zukunft der Elektronik könnte genau in diesen Moiré-Mustern liegen, wissen Sie?

Antwort
Jake Thompson Dezember 25, 2023 - 4:05 pm

Tolles Zeug! zeigt wirklich den Fortschritt in der Quantenphysik. Purdues Team vollbringt Wunder mit diesen Van-der-Waals-Materialien. Ich kann es kaum erwarten zu sehen, wohin das führt!

Antwort
Raj Patel Dezember 25, 2023 - 6:45 pm

Ich bin mir nicht sicher, ob ich alle technischen Details verstehe. aber es klingt nach einer großen Sache? Ich schätze, der Moiré-Magnetismus könnte die Technik revolutionieren.

Antwort
Linda K. Dezember 25, 2023 - 7:27 pm

Wow einfach wow! Ich habe schon einmal über Spintronik gelesen, aber das ist etwas anderes. Purdue geht wirklich über die Grenzen hinaus.

Antwort
Mike O'Brien Dezember 25, 2023 - 9:19 pm

Ich muss zugeben, dass der Artikel etwas sehr viel Fachjargon enthält. Aber es ist cool zu sehen, wie sie Spin und Twist mischen, ein bisschen wie die Handlung eines Science-Fiction-Films, oder?

Antwort

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