L’étudiant diplômé de l’Université Rice, Lebing Chen, a utilisé un four à haute température pour fabriquer des cristaux de triiodure de chrome qui ont produit les matériaux 2D pour les expériences à la source de neutrons de spallation du laboratoire national d’Oak Ridge. Crédit : Jeff Fitlow/Université Rice
La caractéristique topologique pourrait s’avérer utile pour coder des informations dans les spins électroniques.
Les physiciens du riz ont confirmé les origines topologiques des magnons, des caractéristiques magnétiques qu’ils ont découvertes il y a trois ans dans un matériau 2D qui pourraient s’avérer utiles pour coder des informations dans les spins des électrons.
La découverte, décrite dans une étude publiée en ligne récemment dans la revue American Physical Society Examen physique X, fournit une nouvelle compréhension des excitations de spin induites par la topologie dans les matériaux connus sous le nom d’aimants 2D de van der Waals. Les matériaux sont de intérêt grandissant pour la spintronique, un mouvement dans la communauté de l’électronique à l’état solide vers des technologies qui utilisent les spins des électrons pour coder les informations pour le calcul, le stockage et les communications.
Le spin est une caractéristique intrinsèque des objets quantiques et les spins des électrons jouent un rôle clé dans la formation du magnétisme.
Le physicien du riz Pengcheng Dai, co-auteur de l’étude PRX, a déclaré que les expériences de diffusion inélastique des neutrons sur le matériau 2D de chrome triiode ont confirmé l’origine de la nature topologique des excitations de spin, appelées magnons, que son groupe et d’autres découvert dans le matériel en 2018.
L’étudiant diplômé Lebing Chen présente des cristaux de triiodure de chrome qu’il a fabriqués dans un laboratoire de l’Université Rice. Les couches empilées de triiodure de chrome 2D atomiquement mince ont des propriétés électroniques et magnétiques inhabituelles qui pourraient s’avérer utiles pour les technologies « spintroniques » qui codent les informations dans les spins des électrons. Crédit : Jeff Fitlow/Université Rice
Les dernières expériences du groupe à la source de neutrons de spallation du Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) ont montré que “le couplage spin-orbite induit des interactions asymétriques entre les spins” des électrons dans le triiode de chrome, a déclaré Dai. “En conséquence, les spins des électrons ressentent différemment le champ magnétique des noyaux en mouvement, ce qui affecte leurs excitations topologiques.”
Dans les matériaux van der Waals, des couches 2D atomiquement minces sont empilées comme les pages d’un livre. Les atomes à l’intérieur des couches sont étroitement liés, mais les liaisons entre les couches sont faibles. Les matériaux sont utiles pour explorer des comportements électroniques et magnétiques inhabituels. Par exemple, une seule feuille 2D de triiode de chrome a le même type d’ordre magnétique qui fait que les décalcomanies magnétiques collent à un réfrigérateur en métal. Des piles de trois couches 2D ou plus ont également cet ordre magnétique, que la physique appelle ferromagnétique. Mais deux feuilles empilées de triiode de chrome ont un ordre opposé appelé antiferromagnétique.
Les physiciens de l’Université Rice Pengcheng Dai (à gauche) et Lebing Chen ont découvert que les caractéristiques magnétiques inhabituelles qu’ils avaient précédemment remarquées dans le triiodure de chrome 2D provenaient de caractéristiques topologiques. Crédit : Jeff Fitlow/Université Rice
Ce comportement étrange a conduit Dai et ses collègues à étudier le matériel. L’étudiant diplômé de Rice, Lebing Chen, auteur principal de l’étude PRX de cette semaine et de l’étude 2018 dans la même revue, a développé des méthodes pour fabriquer et aligner des feuilles de triiodure de chrome pour des expériences à l’ORNL. En bombardant ces échantillons de neutrons et en mesurant les excitations de spin résultantes avec la spectrométrie de temps de vol des neutrons, Chen, Dai et leurs collègues peuvent discerner des caractéristiques et des comportements inconnus du matériau.
Dans leur étude précédente, les chercheurs ont montré que la triiode de chrome crée son propre champ magnétique grâce à des magnons qui se déplacent si vite qu’ils ont l’impression de se déplacer sans résistance. Dai a déclaré que la dernière étude explique pourquoi un empilement de deux couches 2D de triiodure de chrome a un ordre antiferromagnétique.
“Nous avons trouvé des preuves d’un ordre magnétique dépendant de l’empilement dans le matériau”, a déclaré Dai. Découvrir les origines et les caractéristiques clés de l’état est important car il pourrait exister dans d’autres aimants 2D de van der Waals.
Référence : « Effet du champ magnétique sur les excitations de spin topologiques en CrI3» par Lebing Chen, Jae-Ho Chung, Matthew B. Stone, Alexander I. Kolesnikov, Barry Winn, V. Ovidiu Garlea, Douglas L. Abernathy, Bin Gao, Mathias Augustin, Elton JG Santos et Pengcheng Dai, 31 août 2021 , Examen physique X.
DOI : 10.1103 / PhysRevX.11.031047
Parmi les autres co-auteurs figurent Bin Gao de Rice, Jae-Ho Chung de l’Université de Corée, Matthew Stone, Alexander Kolesnikov, Barry Winn, Ovidiu Garlea et Douglas Abernathy de l’ORNL, et Mathias Augustin et Elton Santos de l’Université d’Édimbourg.
La recherche a été financée par la National Science Foundation (1700081), la Welch Foundation (C-1839), la National Research Foundation of Korea (2020R1A5A1016518, 2020K1A3A7A09077712), le Engineering and Physical Research Council du Royaume-Uni et l’Université d’Édimbourg et a utilisé d’installations fournies par l’ARCHER National Supercomputing Service du Royaume-Uni et l’Office of Science du ministère de l’Énergie.
