量子革命：先进电子学的双旋电子学和自旋电子学联合

　　涡旋电子学是量子物理学中的一个新领域，涉及到堆叠范德华材料来探索新的量子现象。普渡大学(Purdue University)的研究人员通过将量子自旋引入扭曲的双双层反铁磁体中，从而实现了可调谐的摩尔磁性，从而推动了这一领域的发展。这一突破为自旋电子学提供了新材料，并有望在存储器和自旋逻辑器件方面取得进展。来源:SciTechDaily.com

　　普渡大学量子研究人员扭曲双双层反铁磁体来演示配置可调的涡流磁力。

　　Twistronics并不是一种新的舞蹈动作、健身器材或新的音乐时尚。不，它比那些都酷。这是量子物理学和材料科学的一个令人兴奋的新发展，范德华材料层层堆叠在一起，就像一团纸，可以很容易地扭曲和旋转，同时保持平坦，量子物理学家已经使用这些堆栈来发现有趣的量子现象。

　　加上反铁磁体双双层扭曲的量子自旋的概念，就有可能具有可调的摩尔磁。这表明了一种新的材料平台，可以用于下一阶段的涡旋电子学:自旋电子学。这门新科学可能会导致有前途的存储器和自旋逻辑器件，为自旋电子学应用开辟了一条全新的物理世界。

　　通过扭转范德华磁体，可以产生具有显著电可调性的非共线磁态。资料来源:瑞安·艾伦，第二湾工作室

　　普渡大学的一组量子物理和材料研究人员使用CrI3(一种层间反铁磁耦合范德华(vdW)材料)作为介质，引入了扭转来控制自旋自由度。他们在《自然电子学》杂志上发表了他们的发现，“扭曲的三碘化铬双层中的电可调谐磁”。

　　“在这项研究中，我们制造了扭曲的双层CrI3，即双层加上双层，它们之间有一个扭曲的角度，”该出版物的共同主要作者程光辉博士说。“我们通过电学方法报道了具有丰富磁相和显著可调性的涡流磁性。”

　　用磁光克尔效应(MOKE)研究了扭曲双双层(tDB) CrI3的莫尔超晶格结构及其磁性行为。上面的a节展示了层间扭制的波纹超晶格示意图。底板:可以出现非共线磁态。上面的b部分显示了MOKE结果表明，与天然反铁磁双层CrI3中的AFM顺序相比，“moir磁体”tDB CrI3中的反铁磁(AFM)和铁磁(FM)顺序共存。图片来源:程光辉、陈永平

　　“我们将一个反铁磁体堆叠并扭曲在自身上，然后就得到了一个铁磁体，”Chen说。“这也是最近在扭曲二维材料中出现的'扭曲'或moir

　　磁性领域的一个引人注目的例子，其中两层之间的扭曲角度提供了一个强大的调节旋钮，并显着改变了材料特性。”

　　“为了制造扭曲的双层CrI3，我们撕裂双层CrI3的一部分，旋转并堆叠到另一部分，使用所谓的撕裂-堆叠技术，”Cheng解释说。“通过磁光克尔效应(MOKE)测量，这是一种探测到几个原子层的磁性行为的敏感工具，我们观察到铁磁性和反铁磁性的共存，这是摩尔磁性的标志，并进一步证明了电压辅助磁开关。这种莫尔维尔磁是一种新颖的磁形式，具有空间变化的铁磁和反铁磁相，根据莫尔维尔超晶格周期性交替。

　　到目前为止，双扭电子学主要集中在调制电子特性上，如双扭双层石墨烯。普渡大学的研究小组想要将扭转引入自旋自由度，并选择使用CrI3，一种层间反铁磁耦合的vdW材料。通过制备具有不同扭转角度的样品，可以实现反铁磁体的堆叠扭转。换句话说，一旦制作完成，每个装置的扭转角就固定了，然后进行MOKE测量。

　　Upadhyaya和他的团队完成了这个实验的理论计算。这为陈的团队的观察结果提供了强有力的支持。

　　Upadhyaya说:“我们的理论计算揭示了TA-1DW, TA-2DW, TS-2DW, TS-4DW等非共线相的丰富相图。”

　　这项研究是陈的团队正在进行的一项研究。在这项工作之前，该团队最近发表了几篇与“二维磁体”的新物理和特性相关的相关论文，例如最近发表在《自然通讯》上的“二维反铁磁异质结构中电场可调谐界面铁磁性的出现”。这一研究途径在旋流电子学和自旋电子学领域具有令人兴奋的可能性。

　　陈说:“鉴定出的涡流磁铁为自旋电子学和磁电子学提供了一种新的材料平台。”“观察到的电压辅助磁开关和磁电效应可能导致有前途的存储和自旋逻辑器件。作为一种新的自由度，扭转可以适用于大范围的vdW磁体的同质/异质层，为追求新的物理学和自旋电子应用提供了机会。”

　　参考文献:“扭曲双双层三氮化铬中的电可调谐磁”，作者:程光辉，Mohammad Mushfiqur Rahman, Andres Llacsahuanga Allcca, Avinash Rustagi，刘兴涛，刘lina，傅磊，朱杨林，Mao Zhiqiang, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Pramey Upadhyaya和Yong P. Chen, 2023年6月19日，《自然电子》。DOI: 10.1038 / s41928 - 023 - 00978 - 0

　　该团队主要来自普渡大学(Purdue)，有两位贡献相同的主要作者:程光辉博士(Guanghui Cheng)和穆罕默德·穆斯菲库尔·拉赫曼(Mohammad Mushfiqur Rahman)。Cheng是普渡大学Yong P. Chen博士小组的博士后，现在是东北大学高级材料研究所(AIMR, Chen也是该研究所的首席研究员)的助理教授。Mohammad Mushfiqur Rahman是Pramey Upadhyaya博士小组的一名博士生。Chen和Upadhyaya都是本文的通讯作者，也是普渡大学的教授。他是卡尔·拉克-霍洛维茨物理学和天文学教授，电气和计算机工程教授，普渡大学量子科学与工程研究所所长。Upadhyaya是电子和计算机工程的助理教授。其他普渡大学附属团队成员包括Chen组的Andres Llacsahuanga Allcca(博士生)，Liu博士(博士后)和Lei Fu博士(博士后)，Upadhyaya组的Avinash Rustagi博士(博士后)和刘兴涛博士(前Birck纳米技术中心研究助理)。

　　这项工作得到了美国能源部(DOE)科学办公室通过量子科学中心(QSC，国家量子信息科学研究中心)和国防部(DOD)多学科大学研究计划(MURI)计划(FA9550-20-1-0322)的部分支持。在研究的早期阶段，Cheng和Chen还得到了WPI-AIMR、JSPS KAKENHI Basic Science A (18H03858)、New Science (18H04473和20H04623)和Tohoku University FRiD计划的部分支持。

　　Upadhyaya还感谢国家科学基金会(NSF)的支持(ECCS-1810494)。大块的CrI3晶体由宾夕法尼亚州立大学的毛志强小组在美国能源部(DE-SC0019068)的支持下提供。体积hBN晶体由日本国立材料科学研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi在JSPS KAKENHI(资助号20h00354,21h05233和23H02052)和日本next的世界顶级国际研究中心倡议(WPI)的支持下提供。

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