Unikt kvantemateriale kunne muliggøre ultrakraftfulde, kompakte computere

Information i computere transmitteres gennem halvledere ved bevægelse af elektroner og lagres i retning af elektronspin i magnetiske materialer. For at formindske enheder og samtidig forbedre deres ydeevne - et mål for et spirende felt kaldet spin-elektronik ("spintronics") - søger forskere efter unikke materialer, der kombinerer begge kvanteegenskaber. Et hold af kemikere og fysikere ved Columbia skriver i Nature Materials og finder en stærk forbindelse mellem elektrontransport og magnetisme i et materiale kaldet chromsulfidbromid (CrSBr).

Oprettet i laboratoriet af kemiker Xavier Roy, CrSBr er en såkaldt van der Waals-krystal, der kan skrælles til stabelbare, 2D-lag, der kun er nogle få atomer tynde. I modsætning til beslægtede materialer, der hurtigt ødelægges af ilt og vand, er CrSBr-krystaller stabile ved omgivende forhold. Disse krystaller bevarer også deres magnetiske egenskaber ved den relativt høje temperatur på -280F, hvilket undgår behovet for dyrt flydende helium afkølet til en temperatur på -450F, 

"CrSBr er uendeligt meget nemmere at arbejde med end andre 2D-magneter, som lader os fremstille nye enheder og teste deres egenskaber," sagde Evan Telford, en postdoc i Roy-laboratoriet, som dimitterede med en PhD i fysik fra Columbia i 2020. Sidste år, Kolleger Nathan Wilson og Xiaodong Xu ved University of Washington og Xiaoyang Zhu i Columbia fandt en sammenhæng mellem magnetisme og hvordan CrSBr reagerer på lys. I det nuværende arbejde ledede Telford bestræbelserne på at udforske dets elektroniske egenskaber.

Holdet brugte et elektrisk felt til at studere CrSBr-lag på tværs af forskellige elektrontætheder, magnetiske felter og temperaturer - forskellige parametre, der kan justeres for at producere forskellige effekter i et materiale. Efterhånden som de elektroniske egenskaber i CrSBr ændrede sig, ændrede dens magnetisme sig også.

"Halvledere har afstembare elektroniske egenskaber. Magneter har indstillelige spin-konfigurationer. I CrSBr er disse to knapper kombineret," sagde Roy. "Det gør CrSBr attraktiv for både grundforskning og for potentiel spintronics-anvendelse."

Magnetisme er en vanskelig egenskab at måle direkte, især da størrelsen af ​​materialet krymper, forklarede Telford, men det er let at måle, hvordan elektroner bevæger sig med en parameter kaldet modstand. I CrSBr kan modstand tjene som en proxy for ellers uobserverbare magnetiske tilstande. "Det er meget kraftfuldt," sagde Roy, især da forskere ser ud til en dag at bygge chips ud af sådanne 2D-magneter, som kan bruges til kvanteberegning og til at gemme enorme mængder data på et lille rum.

Forbindelsen mellem materialets elektroniske og magnetiske egenskaber skyldtes defekter i lagene - for holdet en heldig pause, sagde Telford. "Folk vil normalt have det 'reneste' materiale som muligt. Vores krystaller havde defekter, men uden dem ville vi ikke have observeret denne kobling," sagde han.

Herfra eksperimenterer Roy-laboratoriet med måder at dyrke skrælbare van der Waals-krystaller med bevidste defekter for at forbedre evnen til at finjustere materialets egenskaber. De undersøger også, om forskellige kombinationer af elementer kan fungere ved højere temperaturer, mens de stadig bevarer disse værdifulde kombinerede egenskaber. + Udforsk yderligere

Visualisering af atomstruktur og magnetisme af 2-D magnetiske isolatorer