Informatie in computers wordt door halfgeleiders verzonden door de beweging van elektronen en opgeslagen in de richting van de elektronenspin in magnetische materialen. Om apparaten te verkleinen en tegelijkertijd hun prestaties te verbeteren - een doel van een opkomend veld dat spin-elektronica ("spintronica") wordt genoemd - zoeken onderzoekers naar unieke materialen die beide kwantumeigenschappen combineren. Schrijvend in Nature Materials, vindt een team van scheikundigen en natuurkundigen in Columbia een sterk verband 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 onder omgevingsomstandigheden. Deze kristallen behouden ook hun magnetische eigenschappen bij de relatief hoge temperatuur van -280F, waardoor dure vloeibare helium gekoeld tot een temperatuur van -450F niet nodig is, 

"CrSBr is oneindig veel gemakkelijker om mee te werken dan andere 2D-magneten, waardoor we nieuwe apparaten kunnen maken en hun eigenschappen kunnen testen", zegt Evan Telford, een postdoc in het Roy-lab die in 2020 afstudeerde met een doctoraat in de natuurkunde aan Columbia. Vorig jaar, collega's Nathan Wilson en Xiaodong Xu van de Universiteit van Washington en Xiaoyang Zhu in Columbia vonden een verband tussen magnetisme en hoe CrSBr op licht reageert. In het huidige werk leidde Telford de inspanningen om zijn elektronische eigenschappen te onderzoeken.

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

"Halfgeleiders hebben afstembare elektronische eigenschappen. Magneten hebben afstembare spinconfiguraties. In CrSBr worden deze twee knoppen gecombineerd", zegt Roy. "Dat maakt CrSBr aantrekkelijk voor zowel fundamenteel onderzoek als voor potentiële spintronica-toepassingen."

Magnetisme is een moeilijke eigenschap om direct te meten, vooral omdat de grootte van het materiaal krimpt, legde Telford uit, maar het is gemakkelijk om te meten hoe elektronen bewegen met een parameter die weerstand wordt genoemd. In CrSBr kan weerstand dienen als een proxy voor anders niet-waarneembare magnetische toestanden. "Dat is erg krachtig", zegt Roy, vooral omdat onderzoekers op een dag chips willen bouwen van dergelijke 2D-magneten, die kunnen worden gebruikt voor kwantumcomputers en om enorme hoeveelheden gegevens in een kleine ruimte op te slaan.

Het verband tussen de elektronische en magnetische eigenschappen van het materiaal was te wijten aan defecten in de lagen - voor het team een ​​meevaller, zei Telford. "Mensen willen meestal het 'schoonste' materiaal dat mogelijk is. Onze kristallen hadden gebreken, maar zonder die zouden we deze koppeling niet hebben waargenomen," zei hij.

Vanaf hier experimenteert het Roy-lab met manieren om afpelbare Van der Waals-kristallen met opzettelijke defecten te kweken, om de eigenschappen van het materiaal te verfijnen. Ze onderzoeken ook of verschillende combinaties van elementen kunnen functioneren bij hogere temperaturen met behoud van die waardevolle gecombineerde eigenschappen. + Verder verkennen

Atomaire structuur en magnetisme van 2-D magnetische isolatoren visualiseren