2D-magnetismin sähköisen hallinnan ferroelektrisen kytkennän avulla

Marylandin yliopiston ja muiden kansainvälisten instituuttien tutkijat havaitsivat äskettäin magnetoelektrisen kytkennän van der Waalsin heterorakenteessa.

Tässä työssä tutkijat raportoivat äskettäin ensimmäisestä kokeellisesta toteutuksesta, jossa magnetismin haihtumatonta sähköistä ohjausta käytettiin kaksiulotteisessa (2D) materiaalijärjestelmässä.

Työssä osoitetaan vankka interferroinen magnetoelektrinen kytkentä van der Waalsin heterorakenteessa, joka on valmistettu ferroelektrisen CuCrP₂S₆:n ja ferromagneettisen Fe₃GeTe₂:n atomikerroksista. Tämä on virstanpylväs 2D-multiferroisessa tutkimuksessa ja energiatehokkaissa spintronisissa sovelluksissa.

Tämän työn ytimessä on pitkäaikainen haaste ferroisen järjestyksen vakauttamiseksi aidosti kaksiulotteisissa materiaaleissa. Vaikka ferrosähköiset ja ferromagneettiset ilmiöt ovat molemmat vakiintuneita massamateriaaleissa, niiden rinnakkaiseloa kaksiulotteisessa tilassa on vaikea ylläpitää depolarisaatiokenttien ja lämpövaihteluiden vuoksi, jotka horjuttavat pitkän kantaman järjestystä.

Tutkimusryhmä voitti nämä rajoitukset pinoamalla ferrosähköisen CuCrP₂S₆:n ja ferromagneettisen Fe₃GeTe₂:n kuorittuja kerroksia atomaarisesti puhtailla rajapinnoilla, mikä mahdollistaa lyhyen kantaman rajapintakytkennän niiden ferroisten järjestysten välillä.

Kytkennän magnetoelektrinen säätötehokkuus oli noin 65 %, mikä on huomattavan korkea 2D-järjestelmälle. Erityisesti paksummat Fe₃GeTe₂-kerrokset (> 8 nm) osoittivat heikentynyttä kytkentävoimaa, mikä vahvistaa, että magnetoelektrinen vuorovaikutus toimii vain lyhyellä rajapinta-alueella.

Toisin kuin aiemmin raportoidut haihtuvien sähkökenttien vaikutukset – jotka usein johtuvat sähköstaattisesta dopingista tai pietsosähköisestä jännityksestä – tässä järjestelmässä vaste oli täysin muuttumaton. Kun ferrosähköinen polarisaatio vaihdettiin, siihen liittyvä magneettisen anisotropian muutos säilyi myös ulkoisen jännitteen poistamisen jälkeen. Tämä pysyvyys antaa yksiselitteisen osoituksen aidosta ferrosähköis-ferromagneettisesta kytkennästä van der Waalsin heterorakenteessa.

Tulokset viittaavat siihen, että 2D-multiferroisilla heterorakenteilla voisi olla keskeinen rooli spintroniikan kehittämisessä varauspohjaisen elektroniikan ulkopuolelle.

Magnetismin haihtumaton ja palautuva sähköinen ohjaus lupaa pienitehoisia muistielementtejä, spin-pohjaista logiikkaa ja neuromorfisia piirejä, jotka perustuvat sähköiseen eikä virran aiheuttamaan ohjaukseen. Vaikka nykyinen demonstraatio toimii kryogeenisessä lämpötilassa, tiimin tavoitteena on laajentaa lähestymistapaa huoneenlämpötilassa tapahtuvaan toimintaan ja skaalautuviin valmistusalustoihin.

Tämä työ edustaa askelta kohti atomaarisesti ohuiden multiferroisten aineiden integrointia seuraavan sukupolven energiatehokkaisiin nanoskaalan laitteisiin.

Aiheesta aiemmin: