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Twistronics não é um novo movimento de dança, equipamento de exercício ou uma nova moda musical. Não, é muito mais legal do que tudo isso. É um novo desenvolvimento empolgante na física quântica e na ciência dos materiais, onde os materiais de van der Waals são empilhados uns sobre os outros em camadas, como folhas de papel em uma resma que podem torcer e girar facilmente enquanto permanecem planas, e os físicos quânticos usaram isso pilhas para descobrir fenômenos quânticos intrigantes.
Adicionando o conceito de spin quântico com bicamadas duplas torcidas de um antiferromagnet, é possível ter magnetismo moiré sintonizável. Isso sugere uma nova classe de plataforma de material para a próxima etapa da twistronics: a spintrônica. Essa nova ciência pode levar a dispositivos promissores de memória e lógica de spin, abrindo o mundo da física para um novo caminho com aplicações spintrônicas.
Uma equipe de pesquisadores de física quântica e materiais da Purdue University introduziu a torção para controlar o grau de liberdade de rotação, usando CrI3, um material van der Waals (vdW) acoplado a intercamadas antiferromagnéticas, como seu meio. Eles publicaram suas descobertas, “Magnetismo moiré eletricamente sintonizável em bicamadas duplas torcidas de triiodeto de cromo”, em Natureza Eletrônica.
“Neste estudo, fabricamos CrI de dupla camada torcida3ou seja, bicamada mais bicamada com um ângulo de torção entre elas”, diz o Dr. Guanghui Cheng, co-autor principal da publicação. “Relatamos magnetismo moiré com fases magnéticas ricas e capacidade de ajuste significativa pelo método elétrico.”
A equipe, principalmente de Purdue, tem dois autores principais de contribuição igual: Dr. Guanghui Cheng e Mohammad Mushfiqur Rahman. Cheng fez pós-doutorado no grupo do Dr. Yong P. Chen na Purdue University e agora é professor assistente no Instituto Avançado de Pesquisa de Materiais (AIMR, onde Chen também é afiliado como pesquisador principal) na Tohoku University. Mohammad Mushfiqur Rahman é um estudante de doutorado no grupo do Dr. Pramey Upadhyaya. Chen e Upadhyaya são autores correspondentes desta publicação e são professores da Purdue University. Chen é professor Karl Lark-Horovitz de física e astronomia, professor de engenharia elétrica e de computação e diretor do Purdue Quantum Science and Engineering Institute. Upadhyaya é professor assistente de Engenharia Elétrica e de Computação. Outros membros da equipe afiliados à Purdue incluem Andres Llacsahuanga Allcca (estudante de doutorado), Dra. Lina Liu (pós-doutorando) e Dr. Lei Fu (pós-doutorando) do grupo de Chen, Dr. Avinash Rustagi (pós-doutorando) do grupo de Upadhyaya e Dr. (ex-assistente de pesquisa no Birck Nanotechnology Center).
“Nós empilhamos e torcemos um antiferroímã sobre si mesmo e pronto, temos um ferroímã”, diz Chen. “Este também é um exemplo impressionante da área recentemente emergida de magnetismo ‘torcido’ ou moiré em materiais 2D torcidos, onde o ângulo de torção entre as duas camadas fornece um poderoso botão de ajuste e muda drasticamente a propriedade do material.”
“Para fabricar CrI de dupla camada torcida3rasgamos uma parte da bicamada CrI3, gire e empilhe na outra parte, usando a chamada técnica de rasgar e empilhar”, explica Cheng. “Através da medição do efeito Kerr magneto-óptico (MOKE), que é uma ferramenta sensível para sondar o comportamento magnético até alguns camadas atômicas, observamos a coexistência de ordens ferromagnéticas e antiferromagnéticas, que é a marca registrada do magnetismo moiré, e demonstramos ainda a comutação magnética assistida por tensão. Tal magnetismo moiré é uma nova forma de magnetismo apresentando fases ferromagnéticas e antiferromagnéticas espacialmente variáveis, alternando periodicamente de acordo com a superrede moiré.”
Até este ponto, a Twistronics se concentrou principalmente na modulação de propriedades eletrônicas, como o grafeno de duas camadas torcidas. A equipe de Purdue queria introduzir o grau de liberdade de torcer para girar e optou por usar CrI3, um material vdW acoplado antiferromagnético entre camadas. O resultado de antiferromagnetos empilhados girando sobre si mesmo foi possível graças à fabricação de amostras com diferentes ângulos de torção. Em outras palavras, uma vez fabricado, o ângulo de torção de cada dispositivo torna-se fixo e, em seguida, as medições MOKE são realizadas.
Os cálculos teóricos para este experimento foram realizados por Upadhyaya e sua equipe. Isso forneceu forte suporte para as observações feitas pela equipe de Chen.
“Nossos cálculos teóricos revelaram um rico diagrama de fases com fases não colineares de TA-1DW, TA-2DW, TS-2DW, TS-4DW, etc.”, diz Upadhyaya.
Esta pesquisa se desdobra em uma avenida de pesquisa em andamento pela equipe de Chen. Este trabalho segue várias publicações recentes da equipe relacionadas a novas físicas e propriedades de “ímãs 2D”, como “Emergence of electric-field-tunable interfacial ferromagnetism in 2D antiferromagnet heterostructures”, que foi publicado recentemente na Nature Communications. Esta avenida de pesquisa tem possibilidades interessantes no campo da twistronics e spintronics.
“O ímã moiré identificado sugere uma nova classe de plataforma de material para spintrônica e magnetoeletrônica”, diz Chen. “A comutação magnética assistida por voltagem observada e o efeito magnetoelétrico podem levar a dispositivos promissores de memória e lógica de spin. Como um novo grau de liberdade, a torção pode ser aplicável à vasta gama de homo/heterobicamadas de ímãs vdW, abrindo a oportunidade para buscar novas físicas, bem como aplicações spintrônicas.”
Este trabalho é parcialmente financiado pelo Escritório de Ciências do Departamento de Energia (DOE) dos EUA por meio do Centro de Ciências Quânticas (QSC, um Centro Nacional de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica) e do programa de Iniciativas de Pesquisa Universitária Multidisciplinar (MURI) do Departamento de Defesa (DOD) (FA9550- 20-1-0322). Cheng e Chen também receberam apoio parcial do WPI-AIMR, JSPS KAKENHI Basic Science A (18H03858), New Science (18H04473 e 20H04623) e do programa FRiD da Tohoku University nos estágios iniciais da pesquisa. Upadhyaya também reconhece o apoio da National Science Foundation (NSF) (ECCS-1810494). Bulk CrI3 os cristais são fornecidos pelo grupo de Zhiqiang Mao da Pennsylvania State University com o apoio do US DOE (DE-SC0019068). Os cristais de hBN a granel são fornecidos por Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi do Instituto Nacional de Ciência de Materiais no Japão, com o apoio do JSPS KAKENHI (números de concessão 20H00354, 21H05233 e 23H02052) e World Premier International Research Center Initiative (WPI), MEXT, Japão.
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