Informationen in Computern werden durch die Bewegung von Elektronen durch Halbleiter übertragen und in Richtung des Elektronenspins in magnetischen Materialien gespeichert. Um Geräte zu verkleinern und gleichzeitig ihre Leistung zu verbessern – ein Ziel eines aufstrebenden Gebiets namens Spinelektronik („Spintronik“) – suchen Forscher nach einzigartigen Materialien, die beide Quanteneigenschaften kombinieren. Ein Team von Chemikern und Physikern in Columbia schreibt in Nature Materials und findet eine starke Verbindung zwischen Elektronentransport und Magnetismus in einem Material namens Chromsulfidbromid (CrSBr).
CrSBr wurde im Labor des Chemikers Xavier Roy entwickelt und ist ein sogenannter Van-der-Waals-Kristall, der in stapelbare 2D-Schichten geschält werden kann, die nur wenige Atome dünn sind. Im Gegensatz zu verwandten Materialien, die schnell durch Sauerstoff und Wasser zerstört werden, sind CrSBr-Kristalle bei Umgebungsbedingungen stabil. Diese Kristalle behalten ihre magnetischen Eigenschaften auch bei der relativ hohen Temperatur von -280 °F bei, wodurch die Notwendigkeit für teures flüssiges Helium, das auf eine Temperatur von -450 °F gekühlt wird, vermieden wird.
„CrSBr ist unendlich einfacher zu verarbeiten als andere 2D-Magnete, was es uns ermöglicht, neuartige Geräte herzustellen und ihre Eigenschaften zu testen“, sagte Evan Telford, Postdoc im Roy-Labor, der 2020 an der Columbia in Physik promovierte. Letztes Jahr Kollegen Nathan Wilson und Xiaodong Xu an der University of Washington und Xiaoyang Zhu an der Columbia einen Link gefunden zwischen Magnetismus und wie CrSBr auf Licht reagiert. In der aktuellen Arbeit leitete Telford die Bemühungen, seine elektronischen Eigenschaften zu erforschen.
Das Team verwendete ein elektrisches Feld, um CrSBr-Schichten über verschiedene Elektronendichten, Magnetfelder und Temperaturen hinweg zu untersuchen – verschiedene Parameter, die angepasst werden können, um unterschiedliche Effekte in einem Material zu erzeugen. Als sich die elektronischen Eigenschaften in CrSBr änderten, änderte sich auch sein Magnetismus.
„Halbleiter haben abstimmbare elektronische Eigenschaften. Magnete haben abstimmbare Spinkonfigurationen. In CrSBr sind diese beiden Knöpfe kombiniert“, sagte Roy. „Das macht CrSBr sowohl für die Grundlagenforschung als auch für potenzielle Anwendungen in der Spintronik attraktiv.“
Magnetismus ist eine schwierig direkt zu messende Eigenschaft, insbesondere wenn die Größe des Materials schrumpft, erklärte Telford, aber es ist einfach zu messen, wie sich Elektronen mit einem Parameter namens Widerstand bewegen. In CrSBr kann der Widerstand als Proxy für ansonsten nicht beobachtbare magnetische Zustände dienen. „Das ist sehr mächtig“, sagt Roy, zumal Forscher versuchen, eines Tages Chips aus solchen 2D-Magneten zu bauen, die für Quantencomputer und zur Speicherung riesiger Datenmengen auf kleinem Raum verwendet werden könnten.
Die Verbindung zwischen den elektronischen und magnetischen Eigenschaften des Materials sei auf Defekte in den Schichten zurückzuführen – für das Team ein Glücksfall, sagte Telford. „Die Leute wollen normalerweise das ’sauberste‘ Material, das möglich ist. Unsere Kristalle hatten Defekte, aber ohne diese hätten wir diese Kopplung nicht beobachtet“, sagte er.
Von hier aus experimentiert das Roy-Labor mit Möglichkeiten, abziehbare Van-der-Waals-Kristalle mit absichtlichen Defekten zu züchten, um die Fähigkeit zur Feinabstimmung der Materialeigenschaften zu verbessern. Sie erforschen auch, ob verschiedene Kombinationen von Elementen bei höheren Temperaturen funktionieren könnten, während sie diese wertvollen kombinierten Eigenschaften beibehalten.
Evan J. Telford et al, Kopplung zwischen magnetischer Ordnung und Ladungstransport in einem zweidimensionalen magnetischen Halbleiter, Naturmaterialien (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01245-x