[论文解读] Integrating 2D Magnets for Quantum Devices: from Materials and Characterization to Future Technology

Han Zhong, Douglas Z. Plummer+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2024

Magnetic Field Sensors Techniques被引用 4

一句话总结

本综述综合了近年来在二维范德华磁体用于量子器件方面的进展，重点阐述了磁性的电控、异质结构工程以及涌现的量子现象（如拓扑态和磁性斯kyrmion）。文章强调了电压控制磁各向异性、应变调控、扭曲电子学和设计界面作为实现非易失性存储器、自旋电子逻辑和拓扑量子计算的关键技术。

ABSTRACT

The unveiling of 2D van der Waals magnetism in 2017 ignited a surge of interest in low-dimensional magnetism. With dimensions reduced, research has delved into facile electric control of 2D magnetism, high-quality heterostructure design, and new device functionality. These atomically thin magnetic materials have spawned a burgeoning field known as 2D spintronics, holding immense promise for future quantum technologies. In this review, we comprehensively survey the current advancements in 2D magnet-based quantum devices, accentuating their role in manifesting exotic properties and enabling novel functionalities. Topological states, spin torques, voltage control of magnetic anisotropy, strain engineering, twistronics and designer interface will be discussed. Furthermore, we offer an outlook to guide their development in future CMOS and quantum hardware paradigms.

研究动机与目标

• 全面综述基于二维磁体的量子器件的最新进展及其在未来技术中的集成。
• 识别并分析实现磁性特性动态控制的关键机制，包括电压控制、应变调控和扭曲电子学。
• 研究二维磁体在实现奇异量子现象（如拓扑序、skyrmion和马约拉纳费米子）中的作用。
• 评估在非易失性存储器和自旋电子学中实现稳定、缺陷可控和可扩展应用所面临的挑战。
• 概述将二维磁体集成到CMOS和量子硬件平台中的未来研究方向。

提出的方法

• 系统性回顾2017年至今在二维范德华磁体方面的实验与理论进展。
• 利用密度泛函理论和先进表征技术，分析CrI3、CrBr3、MnBi2Te4和Fe3GeTe2等材料的磁性特性。
• 研究电压控制磁各向异性（VCMA）和自旋轨道矩（SOT），以实现电驱动磁化翻转。
• 探索二维磁体中的扭曲电子学，包括扭曲异质结中出现的关联磁态和拓扑磁态。
• 研究与超导体及拓扑绝缘体构成的异质结构工程，以实现马约拉纳零能模。
• 评估应变工程和界面设计在纳米尺度调控磁各向异性和矫顽力的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 二维磁性材料如何实现磁各向异性的电控，并促进低功耗自旋电子器件的发展？
• RQ2 二维拓扑态和skyrmion在宿主马约拉纳费米子和实现拓扑量子计算中扮演何种角色？
• RQ3 二维磁性异质结中的扭曲电子学如何导致关联和拓扑磁相的涌现？
• RQ4 在实现可扩展的量子和CMOS兼容器件中，获得稳定、无缺陷的二维磁体面临哪些关键挑战？
• RQ5 人工智能和预测建模如何加速发现具有定制功能的新二维磁性材料？

主要发现

• 如CrI3和Fe3GeTe2等二维范德华磁体在单层极限下仍表现出本征铁磁序，从而实现原子级厚度的磁性器件。
• 在二维异质结中实现的电压控制磁各向异性可实现亚纳秒量级的磁化电切换，且能量耗散极低。
• 如扭曲双层CrI3等扭曲二维磁性异质结展现出可调的磁序，具有实现关联和拓扑磁相的潜力。
• 尺寸小至几纳米的二维磁性skyrmion可实现电控操控，为高密度、低功耗存储与逻辑器件带来希望。
• 在二维异质结中，超导性与磁性的共存使得通过低温扫描隧道谱可观察到一维马约拉纳边缘模。
• 缺陷控制和环境稳定性仍是关键挑战，例如CrI3在空气中因氧化而迅速降解。