Kromsulfidbromid kristalliseras till tunna lager som kan dras isär och staplas för att skapa enheter i nanoskala. Columbia-forskare upptäckte att detta materials elektroniska och magnetiska egenskaper är sammanlänkade - en upptäckt som kan möjliggöra grundläggande forskning såväl som potentiella tillämpningar inom spintronik. Kredit:Myung-Geun Han och Yimei Zhu
Information i datorer överförs genom halvledare genom rörelse av elektroner och lagras i elektronspinnets riktning i magnetiska material. För att krympa enheter samtidigt som de förbättrar deras prestanda – ett mål för ett framväxande område som kallas spin-elektronik ("spintronics") – letar forskare efter unika material som kombinerar båda kvantegenskaperna. Genom att skriva i Nature Materials finner ett team av kemister och fysiker vid Columbia en stark koppling mellan elektrontransport och magnetism i ett material som kallas kromsulfidbromid (CrSBr).
Skapat i labbet av kemisten Xavier Roy, CrSBr är en så kallad van der Waals-kristall som kan skalas till stapelbara, 2D-lager som bara är några få atomer tunna. Till skillnad från besläktade material som snabbt förstörs av syre och vatten, är CrSBr-kristaller stabila vid omgivningsförhållanden. Dessa kristaller bibehåller också sina magnetiska egenskaper vid den relativt höga temperaturen på -280F, vilket undviker behovet av dyrt flytande helium kylt till en temperatur på -450F,
"CrSBr är oändligt mycket lättare att arbeta med än andra 2D-magneter, vilket låter oss tillverka nya enheter och testa deras egenskaper", säger Evan Telford, postdoc vid Roy-labbet som tog examen med en doktorsexamen i fysik från Columbia 2020. Förra året, kollegor Nathan Wilson och Xiaodong Xu vid University of Washington och Xiaoyang Zhu i Columbia hittade en koppling mellan magnetism och hur CrSBr reagerar på ljus. I det aktuella arbetet ledde Telford ansträngningarna att utforska dess elektroniska egenskaper.
Teamet använde ett elektriskt fält för att studera CrSBr-lager över olika elektrondensiteter, magnetfält och temperaturer - olika parametrar som kan justeras för att producera olika effekter i ett material. När de elektroniska egenskaperna i CrSBr förändrades, förändrades dess magnetism.
"Halvledare har avstämbara elektroniska egenskaper. Magneter har avstämbara spin-konfigurationer. I CrSBr kombineras dessa två rattar", sa Roy. "Det gör CrSBr attraktiv för både grundforskning och för potentiell spintronikapplikation."
Magnetism är en svår egenskap att mäta direkt, särskilt när storleken på materialet krymper, förklarade Telford, men det är lätt att mäta hur elektroner rör sig med en parameter som kallas resistans. I CrSBr kan motstånd fungera som en proxy för annars oobserverbara magnetiska tillstånd. "Det är väldigt kraftfullt", sa Roy, särskilt när forskare ser på att en dag bygga chips av sådana 2D-magneter, som skulle kunna användas för kvantberäkningar och för att lagra enorma mängder data på ett litet utrymme.
Kopplingen mellan materialets elektroniska och magnetiska egenskaper berodde på defekter i lagren - för laget, en lycklig paus, sa Telford. "Människor vill vanligtvis ha det "renaste" materialet som möjligt. Våra kristaller hade defekter, men utan dem skulle vi inte ha observerat den här kopplingen, säger han.
Härifrån experimenterar Roy-labbet med sätt att odla avdragbara van der Waals-kristaller med avsiktliga defekter, för att förbättra förmågan att finjustera materialets egenskaper. De undersöker också om olika kombinationer av element skulle kunna fungera vid högre temperaturer samtidigt som de behåller de värdefulla kombinerade egenskaperna. + Utforska vidare
