Skyrmions på fremmarch:Nyt 2D-materiale fremmer lav-power computing

Todimensionelle magnetiske materialer er blevet hyldet som byggesten til den næste generation af små, hurtige elektroniske enheder. Disse materialer, der er lavet af lag af krystallinske plader, der kun er få atomer tykke, får deres unikke magnetiske egenskaber fra de iboende kompas-nåle-lignende spin af deres elektroner. Arkenes atomare skala-tyndhed betyder, at disse spins kan manipuleres på de fineste skalaer ved hjælp af eksterne elektriske felter, hvilket potentielt kan føre til nye lavenergi-datalagring og informationsbehandlingssystemer. Men at vide præcis, hvordan man designer 2D-materialer med specifikke magnetiske egenskaber, der kan manipuleres præcist, forbliver en barriere for deres anvendelse.

Nu, som rapporteret i tidsskriftet Science Advances , har forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), UC Berkeley, Cornell og Rutgers University opdaget lagdelte 2D-materialer, der kan være vært for unikke magnetiske egenskaber, der forbliver stabile ved stuetemperatur og dermed i sidste ende kan bruges i fremtidige hverdagsenheder. Atomiske billeder af materialet afslører de præcise kemiske og strukturelle egenskaber, der er ansvarlige for disse egenskaber og deres stabilitet.

Berkeley Lab-forskere har en track record med at identificere uventede magnetiske egenskaber i atomisk tynde lag af bulkkrystaller, mange baseret på halvledermaterialer dopet med metalatomer. UC Berkeley-kandidatstuderende Tyler Reichanadter, en studiemedforfatter, beregnede, hvordan den elektroniske struktur af almindelige 2D-materialer kan ændre sig ved at udskifte forskellige atomer, i dette tilfælde noget af jernet med kobolt. Denne særlige ombytning resulterer i en krystalstruktur, der ikke kan overlejres på sit spejlbillede, og fører til muligheden for eksotiske, hvirvellignende spin-arrangementer kaldet skyrmioner, som bliver udforsket som byggesten til fremtidig lav-effekt computing.

Studiets medforfattere Hongrui Zhang, en postdoc-forsker ved UC Berkeley, og Xiang Chen, en postdoc-forsker ved Berkeley Lab og UC Berkeley, brugte krystalvækstfaciliteter til at udforske nogle af de mest lovende 2D-materialer, herunder kobolt-doteret jern germanium telluride ( Fe₅ GeTe₂ ) i form af nanoflager. Fe₅ GeTe₂ er et typisk 2D magnetisk materiale på grund af dets unikke lagdelte struktur og krystalsymmetri, hvor jernatomer optager specifikke punkter i krystalstrukturen. De opdagede, at ved at erstatte præcis halvdelen af ​​jernatomerne med koboltatomer – hvis lidt forskellige elektroniske konfiguration betød, at atomerne naturligt optog lidt forskellige punkter i krystallen – kunne de spontant bryde materialets naturlige krystalsymmetri, hvilket igen ændrede dets spinstruktur.

"Det er ikke let at gøre. Disse strukturer tager dage eller måneder at syntetisere, og vi gik gennem hundredvis af krystaller," sagde Chen, som er ekspert i syntesen af ​​så komplekse materialer.

Medforfattere Sandhya Susarla, en Berkeley Lab-postdoc-forsker, og Yu-tsun Shao, en postdoc-forsker ved Cornell, bekræftede atomskalastrukturen og den elektroniske struktur af de komplekse materialer ved hjælp af elektronmikroskopifunktioner ved National Center for Electron Microscopy ved Molecular Foundry.

"Dette er ren opdagelsesvidenskab og fuldstændig uventet," sagde Ramamoorthy Ramesh, en senior videnskabsmand ved Berkeley Labs Materials Sciences Division og den øverste tilsvarende forfatter på papiret. "Teamet forsøgte at manipulere elektronisk struktur og fandt ud af, at ved at bryde symmetrien kunne materialet være vært for skyrmioner."

Zhang brugte magnetisk kraftmikroskopi til at afbilde skyrmionerne over store områder af sådanne krystaller. Ved at følge skyrmionernes udvikling som funktion af temperatur og magnetfelt etablerede forskerne de fysiske forhold, der førte til deres stabilitet. Yderligere, ved at føre en elektrisk strøm hen over materialet, fandt forskerne ud af, at de kunne få skyrmionerne til at skifte i materialet, uafhængigt af de atomer, der førte til deres dannelse i første omgang.

Endelig udførte David Raftrey, en Berkeley Lab og UC Santa Cruz kandidatstuderende forsker, mikromagnetiske simuleringer for at fortolke de observerede elektroniske mønstre i disse materialer.

Fordi de lagdelte materialer kan fremstilles med en bred vifte af tykkelser ved stuetemperatur og derover, mener forskerne, at deres magnetiske egenskaber kan forbedres og udvides. "Vi er interesserede i mikroelektronikken, men grundlæggende spørgsmål om materialernes fysik inspirerer os virkelig," sagde Zhang. + Udforsk yderligere

Spintronics-teknologirevolutionen kan kun være en hopfion væk