Simultaneous electrical control of spin and valley polarization in van der Waals magnetic materials (SECSY)

La sempre crescente domanda di componenti elettronici ad alta velocità, alta densità e basso consumo ha stimolato la comunità scientifica a identificare nuovi paradigmi per raggiungere l'elaborazione delle informazioni e la comunicazione. Sono emersi scenari interessanti dall'operare sui gradi di libertà degli elettroni in materiali diversi dalla loro carica, portando alla spintronica e, più recentemente, alla valleytronica. In quest'ultima, è il momento di una delle tasche equivalenti (cosiddette valli) nella zona di Brillouin a cui appartiene l'elettrone/buco che svolge il ruolo di una variabile di pseudospin. Sebbene le prime indagini risalgano agli anni '70, il campo è stato rivoluzionato solo di recente dalla scoperta dei materiali bidimensionali (2D), che offrono opportunità senza precedenti per controllare e manipolare le valli. Gran parte di questo successo deriva dal blocco spin-valley, per cui diverse valli sono dotate di una specifica polarizzazione dello spin, migliorando sia i tempi di coerenza dello spin che della valle. Tre recenti importanti avanzamenti hanno il potenziale di ampliare ulteriormente la gamma di fenomeni spin-valleytronici abilitati dai materiali 2D: l'isolamento dei magneti 2D, l'identificazione di un ampio portafoglio di nuove monocristalli dalla esfoliazione computazionale e le vaste opportunità combinatorie offerte dall'impilamento di materiali 2D in eterostrutture di van der Waals (vdW). SECSY mira a capitalizzare su questi sviluppi combinando l'esperienza riconosciuta a livello internazionale dei partner nella progettazione dei materiali, nella modellazione teorica, nei calcoli ad alta produttività e nelle efficienti simulazioni dei dispositivi verso l'identificazione di piattaforme materiali promettenti per la spin-valleytronica, affrontando in particolare l'urgente necessità di raggiungere un controllo completamente elettrico dei gradi di libertà dello spin e della valle bloccati. Saranno indagati due classi di sistemi: antiferromagneti a singolo strato e eterostrutture vdW di magneti-semiconduttori-magneti. Nel primo caso, il blocco spin-valley deriva sia dall'accoppiamento spin-orbita che da un sottile gioco interazione tra gli scambi e i campi cristallini. Estenderemo i principi di progettazione per identificare tali altermagneti anche in 2D e esploreremo database di materiali attraverso simulazioni accurate di primo principio per trovare realizzazioni di materiali valide. Nel secondo caso, lo spin e la valle sono accoppiati attraverso un effetto valley-Zeeman nel semiconduttore, ulteriormente influenzato dalla vicinanza agli strati magnetici. Le combinazioni di materiali saranno identificate mediante data-mining e calcoli ad alta produttività, eventualmente convalidati contro gli effetti a molti corpi. In entrambi i casi, immaginiamo vie realistiche per regolare la polarizzazione spin-valley attraverso un campo elettrico verticale indotto da gate. La gamma di possibili applicazioni di queste piattaforme materiali sarà indagata mediante simulazioni di dispositivi multiscala che intendiamo accelerare sviluppando una formulazione innovativa basata su funzioni ibride di Wannier.

The ever-increasing demand for high-speed, high-density, and low-power electronic components has stimulated the scientific community to identify new paradigms to achieve information processing and communication. Interesting scenarios have emerged from operating on degrees of freedom of the electrons in materials other than their charge, leading to spintronics, and, more recently, to valleytronics. In the latter, it is the momentum of one of the equivalent pockets (so-called valleys) in the Brillouin zone to which the electron/hole belongs that plays the role of a pseudospin variable. Although early investigations date back to the 1970s, the field has only recently been revolutionized by the discovery of two-dimensional (2D) materials, which offer unprecedented opportunities to control and manipulate valleys. Much of this success arises from spin-valley locking, by which different valleys are endowed with a specific spin polarization, enhancing both spin and valley coherence times. Three recent major breakthroughs have the potential to further expand the range of spin-valleytronic phenomena enabled by 2D materials: the isolation of 2D magnets, the identification of an extensive portfolio of novel monolayers from computational exfoliation, and the combinatorially vast opportunities offered by stacking 2D materials into van der Waals (vdW) heterostructures. SECSY aims at capitalizing on these developments by combining the internationally recognized expertise of the partners in materials design, theoretical modeling, high-throughput calculations, and efficient device simulations towards the identification of promising materials platforms for spin-valleytronics, addressing in particular the pressing need to achieve a fully electrical control of the locked spin and valley degrees of freedom. Two classes of systems will be investigated: single layer antiferromagnets and magnet-semiconductor-magnet vdW heterostructures. In the first case, spin-valley locking arises either from spin-orbit coupling or from a recently discovered subtle interplay between exchange interactions and crystal fields. We will extend the design principles to identify such altermagnets also in 2D, and explore materials’ databases through accurate first-principles simulations to find viable materials realizations. In the second case, spin and valley are coupled through a valley-Zeeman effect in the semiconductor, further affected by the proximity to the magnetic layers. Materials combinations will be identified by data-mining and high-throughput calculations, eventually validated against many-body effects. In both cases, we envision realistic pathways to tune the spin-valley polarization through a vertical, gate-induced, electric field. The range of possible applications of these materials platforms will be investigated by multiscale device simulations that we plan to accelerate by developing an innovative formulation based on hybrid Wannier functions.