NUS-wetenschappers hebben het fenomeen exchange bias ontdekt in van der Waals CrCl ₃ /Fe ₃ GeTe ₂ heterostructuren. Het fenomeen exchange bias heeft een aantal toepassingen in magnetische sensoren en magnetische leeskoppen, wat nog niet eerder is gerapporteerd in heterostructuren van van der Waals.

Het uitwisselingsvoorspanningseffect manifesteert zich als een verschuiving van de hysteresislus naar de negatieve of positieve richting ten opzichte van het aangelegde veld. Het mechanisme wordt over het algemeen toegeschreven aan een unidirectionele pinning van een ferromagneet (FM) door een aangrenzende antiferromagneet (AF). Daarom, vergeleken met een enkele ferromagneet (vrije laag) zonder zo'n unidirectionele pinning, een goed ontworpen exchange-biased AF/FM-systeem (pinned layer) heeft een voorkeursmagnetisatierichting en een relatief hoog schakelveld. Dus, een apparaat bestaande uit een vastgezette en een vrije laag, met een afstandhouder, kan dienen als sensor voor de richting en sterkte van het magnetische veld. Het apparaat heeft twee verschillende geheugenstatussen ("1" en "0") gedefinieerd door de magnetisatie in de vrije laag, ofwel parallel of antiparallel aan de vastgezette laag. Zo'n apparaat, bekend als spinkleppen en magnetische tunnelovergangen, worden op grote schaal ingebed in geheugentechnologieën zoals opslagmedia, uitlees sensoren, en magnetisch willekeurig toegankelijk geheugen.

Het exchange bias-effect is gerepliceerd in een breed scala aan AF/FM-interfaces, bijvoorbeeld, de IrMn/NiFe-metaaldubbellagen die veel worden gebruikt in commerciële leeskoppen. Als deze AF/FM dubbellaagse systemen zijn gemaakt van magnetische van der Waals heterostructuren die een uitwisselingsbiaseffect vertonen, het zou gunstig kunnen zijn voor de apparaten om mogelijk atomair dunne afmetingen te benaderen en flexibeler te zijn.

Een team onder leiding van prof. Andrew Wee, Afdeling Natuurkunde en Centrum voor Geavanceerde 2-D Materialen, NUS, heeft de aanwezigheid van het exchange bias-effect ontdekt in mechanisch geëxfolieerd CrCl ₃ /Fe ₃ GeTe ₂ , een van der Waals heterostructuur. De onderzoekers maakten een testapparaat door dunne vlokken CrCl . over te brengen ₃ en Fe ₃ GeTe ₂ op een SiO ₂ /Si-substraat. De gemeten waarde van het vertekende veld voor het testapparaat is meer dan 50 mT (bij een temperatuur van 2,5 K). Dit is vergelijkbaar met de gerapporteerde waarden in conventionele, uitwisselingsbiased AF/FM metallic multilayers. Bovendien, het vooringenomen veld is zeer afstembaar en kan worden aangepast door het veldkoelingsproces en de dikte van de heterostructuur te veranderen. Het onderzoeksteam stelde ook een theoretisch model voor waarin wordt uitgelegd dat de spinconfiguraties in CrCl ₃ speelt een cruciale rol in het exchange bias-effect in de heterostructuur.

"Onze observatie is van enorm belang omdat het het bestaan ​​van het exchange bias-effect in een 2D van der Waals-interface valideert, waarin een belangrijk probleem in de 2D-onderzoeksgemeenschap wordt aangepakt, " zei prof Wee.

Het werk is een samenwerking met Prof Zhang Wen van de Northwestern Polytechnical University, China (een voormalig onderzoeker in de groep van Prof Wee) en Prof Zhai Ya van de Southeast University, China.

Volgende, het team streeft ernaar om dergelijke heterostructuren op te nemen in functionele flexibele apparaten, met een sterk verminderde dikte en een verhoogde werktemperatuur.