Unieke kwantummaterialen kunnen ultrakrachtige compacte computers mogelijk maken

In computers wordt informatie door halfgeleiders verzonden door de beweging van elektronen en opgeslagen in de richting van elektronenspin in magnetische materialen. Om apparaten te verkleinen en tegelijkertijd hun prestaties te verbeteren – een doel van een opkomend veld genaamd spintronica (“spintronica”) – zijn onderzoekers op zoek naar unieke materialen die kwantumeigenschappen combineren. In Nature Materials heeft een team van scheikundigen en natuurkundigen van Columbia University een sterk verband gevonden tussen elektronentransport en magnetisme in een materiaal dat chroomsulfidebromide (CrSBr) wordt genoemd.

CrSBr, gemaakt in het laboratorium van scheikundige Xavier Roy, is een zogenaamd van der Waals-kristal dat kan worden afgepeld tot stapelbare 2D-lagen die slechts een paar atomen dun zijn. In tegenstelling tot verwante materialen die snel worden vernietigd door zuurstof en water, zijn CrSBr-kristallen stabiel bij omgevingscondities. Deze kristallen behouden ook: magnetische eigenschappen bij een relatief hoge temperatuur van -280 F, waardoor dure vloeibare helium gekoeld tot -450 F niet nodig is,

Collega’s Nathan Wilson en Xiaodong Xu van de Universiteit van Washington en Xiaoyang Zhou in Columbia zeiden Evan Telford, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Roy die in 2020 een doctoraat in de natuurkunde behaalde aan Columbia. een link gevonden Tussen magnetisme en hoe CrSBr op licht reageert. In het huidige werk heeft Telford het voortouw genomen bij het onderzoeken ervan Elektronische eigenschappen.

Het team heeft een bestand gebruikt elektrisch veld Om CrSBr-lagen over verschillende elektronendichtheden, magnetische velden en temperaturen te bestuderen, kunnen verschillende parameters worden aangepast om verschillende effecten in een materiaal te produceren. Naarmate de elektronische eigenschappen van CrSBr veranderden, veranderde ook het magnetisme ervan.

“Halfgeleiders hebben afstembare elektronische eigenschappen. Magneten hebben afstembare spinconfiguraties. In CrSBr worden deze twee handvatten gecombineerd,” zei Roy. “Dit maakt CrSBr aantrekkelijk voor beide basis onderzoek en voor mogelijke spintronica-toepassingen. “

Telford legde uit dat magnetisme een eigenschap is die moeilijk direct te meten is, vooral omdat de grootte van een materiaal krimpt, maar het is gemakkelijk te meten hoe elektronen bewegen met een parameter die weerstand wordt genoemd. In CrSBr kan de weerstand fungeren als een proxy voor niet-waarneembare magnetische toestanden. “Dit is erg krachtig”, zei Roy, vooral omdat onderzoekers op een dag chips van 2D-magneten willen bouwen die kunnen worden gebruikt in Kwantitatieve statistieken En om enorme hoeveelheden data op een kleine ruimte op te slaan.

Telford zei dat het verband tussen de elektronische en magnetische eigenschappen van het materiaal te wijten was aan onvolkomenheden in de lagen – voor het team had hij geluk. “Mensen willen meestal het schoonste materiaal dat mogelijk is. Onze kristallen hebben gebreken, maar zonder hen zouden we deze koppeling niet hebben opgemerkt.”

Van hieruit test Roy’s laboratorium manieren om afpelbare Van der Waals-kristallen met opzettelijke defecten te kweken, om het vermogen om de eigenschappen van het materiaal te verfijnen te verbeteren. Ze onderzoeken ook of verschillende combinaties van elementen kunnen functioneren bij hogere temperaturen met behoud van deze waardevolle aggregaateigenschappen.