At the forefront of condensed matter physics, materials with novel quantum mechanical properties are being investigated for fundamental science and potential applications in quantum technology. Dr. Adam Wei Tsen, a faculty member at the Institute for Quantum Computing (IQC) and the Department of Chemistry at the University of Waterloo, along with his team, are diving into this field with a particular focus on two-dimensional (2D) quantum materials.
The team is exploring how the magnetic properties of the layered material alpha ruthenium chloride (α-RuCl3) change in samples that approach the atomically thin 2D limit. At the atomic level, each electron has a quantity called spin, which gives rise to varying magnetic properties based on how the neighbouring spins interact. These interactions can also differ significantly between a single layer material and the bulk 3-dimensional sample of the same material consisting of many stacked layers. Tsen’s team is the first to study the magnetic properties of α-RuCl3 in its single layer form.
In its bulk form, α-RuCl3 hosts a unique interaction between neighboring spins, called the Kitaev interaction, named after Russian-American physicist Alexei Kitaev. Kitaev’s work mathematically proved that when this is the only magnetic interaction in a 2D material with a honeycomb-shaped structure, the spins are entangled and exist in a liquid-like state, even at extremely low temperatures. If researchers can find a 2D material where the Kitaev interaction is more significant than all other spin interactions, it may lead to future applications in quantum information processing.
Unlike in theoretical predictions, in real materials the Kitaev interaction always competes with other ordinary spin interactions, and so careful tuning is required to engineer the magnetic properties. Tsen’s team studied how different sample thicknesses impact the magnetic properties of α-RuCl3.
“As α-RuCl3 has a layered honeycomb structure, we can isolate a single atomic layer of these materials with relative ease,” says Tsen. “That allows us to study this quantum material in a form that is closer to the model system proposed by Kitaev.”
In these experiments, IQC researcher Dr. Bowen Yang, a postdoctoral fellow supervised by Tsen, used a nanoscale device geometry borrowed from spintronics (spin-based electronics), called the magnetic tunnel junction, which is used in today’s memory storage technology. In this device, thin layers of α-RuCl3 were isolated and sandwiched between two conducting materials. By examining how electrons tunneled through the insulating α-RuCl3, Yang was able to directly measure the material’s spin wave excitations down to the monolayer. The researchers found that, in contrast to the bulk crystal, the magnetic field needed to polarize the spins in the 2D sample was smaller in the direction perpendicular to the hexagonal layer structure than in plane with it.
The team’s collaborators from the University of Michigan then carefully examined the structure of monolayer α-RuCl3 using a technique called electron diffraction and found that it exhibited several distortions relative to the bulk crystal. Theorists from Goethe University Frankfurt and Wake Forest University then calculated the magnetic interactions from this distorted structure. They successfully explained the change in the effect of the magnetic field, and further discovered that the Kitaev interaction was substantially increased. Collectively, these findings highlight the importance of dimensionality in tuning the properties of magnetic materials and demonstrate that monolayer α-RuCl3 may be more relevant for quantum computing applications than its bulk counterpart.
At the same time, a perpendicular magnetic field has been theoretically predicted to induce spin liquid phases even when the system was not a spin liquid to begin with. “What’s known about the bulk crystal is that you have to apply an extremely large magnetic field of about 35 Tesla to drive it out of its ground state, which is largely inaccessible by most groups,” says Tsen. “But it only takes about 6 Tesla, a much smaller magnetic field, to break this ground state for a single layer, which could be very promising for the future”.
The paper “Magnetic anisotropy reversal driven by structural symmetry-breaking in monolayer α-RuCl3” was published in Nature Materials on November 17th by Bowen Yang, Fangchu Chen, Adam W. Tsen and their collaborators. Yang recently won the IQC achievement award for this work. The research was funded in part by the US Army Research Office as well as Transformative Quantum Technologies at the University of Waterloo.
We can isolate a single atomic layer of these materials with relative ease. That allows us to study this quantum material in a form that is closer to the model system proposed by Kitaev.
Un nouvel aimant bidimensionnel exotique pourrait être prometteur pour l’informatique quantique
À l’avant-garde de la physique de la matière condensée, on étudie des matériaux aux propriétés quantiques nouvelles, intéressantes autant pour la science fondamentale que pour leurs applications possibles en technologie quantique. Adam Wei Tsen, Ph.D., professeur à l’Institut d’informatique quantique (IQC) et au Département de chimie de l’Université de Waterloo, plonge dans ce domaine avec son équipe, en se concentrant particulièrement sur les matériaux quantiques bidimensionnels (2D). Les citations de cet article sont traduites de propos tenus en anglais par M. Tsen.
L'équipe de M. Tsen étudie l’évolution des propriétés magnétiques de la forme alpha du chlorure de ruthénium (α-RuCl3) dans des échantillons dont l’épaisseur approche la limite 2D d’une seule couche atomique. À l’échelle atomique, chaque électron est caractérisé par une grandeur appelée spin, qui donne lieu à diverses propriétés magnétiques en fonction des interactions entre spins d’électrons voisins. Ces interactions peuvent en outre être très différentes selon que l’échantillon du matériau comporte une seule couche atomique ou se présente sous la forme massive 3D de plusieurs couches empilées. L'équipe de M. Tsen est la première à étudier les propriétés magnétiques de α-RuCl3 sous la forme d’une seule couche atomique.
Sous sa forme massive, α-RuCl3 présente une interaction caractéristique entre spins voisins, appelée interaction de Kitaev, du nom du physicien russo-américain Alexei Kitaev. Celui-ci a prouvé mathématiquement que lorsqu’il s’agit de la seule interaction magnétique dans un matériau 2D ayant une structure en forme de peigne, les spins sont intriqués et existent dans un état semblable à l’état liquide, même à des températures extrêmement basses. Si l’on peut trouver un matériau 2D où l’interaction de Kitaev est plus importante que toutes les autres interactions entre spins, cela pourrait avoir des applications dans le traitement de l’information quantique.
Contrairement aux prédictions théoriques, dans des matériaux réels, l’interaction de Kitaev est toujours en concurrence avec d’autres interactions ordinaires entre spins, de sorte qu’il faut prendre beaucoup de précautions pour régler les propriétés magnétiques. L'équipe de M. Tsen a étudié l’effet de différentes épaisseurs de l’échantillon sur les propriétés magnétiques de α-RuCl3.
« Quand un échantillon de α-RuCl3 a des couches ayant une structure en peigne, dit M. Tsen, on peut isoler assez facilement un feuillet de ces matériaux ne comportant qu’une seule couche atomique. Cela permet d’étudier ce matériau quantique sous une forme qui se rapproche davantage du modèle proposé par Kitaev. »
Dans ces expériences, Bowen Yang, postdoctorant à l’IQC sous la direction de M. Tsen, a utilisé la géométrie d’un dispositif nanométrique employé en électronique de spin et appelé jonction tunnel magnétique, dont on se sert dans la technologie actuelle de mémoire de stockage. De fines couches de α-RuCl3 ont été isolées en sandwich entre 2 matériaux conducteurs. En examinant comment les électrons circulaient en tunnel dans le α-RuCl3, M. Yang a pu mesurer directement les ondes de spin parcourant la couche monoatomique. Les chercheurs ont constaté que, contrairement à ce qui se passe dans un cristal 3D, le champ magnétique nécessaire pour polariser les spins de l’échantillon 2D était plus faible dans la direction perpendiculaire à la couche atomique de structure hexagonale que dans le plan de celle-ci.
Les collaborateurs de l’équipe à l’Université du Michigan ont examiné attentivement par diffraction électronique la structure du α-RuCl3 monocouche. Ils ont constaté plusieurs différences de structure par rapport au cristal 3D. Des théoriciens de l’Université Goethe de Francfort et de l’Université de Wake Forest ont ensuite calculé les interactions magnétiques dans cette structure 2D. Ils ont réussi à expliquer l’effet différent du champ magnétique, en plus de découvrir que l’interaction de Kitaev était sensiblement accrue. Toutes ces constatations mettent en lumière l’importance du nombre de dimensions dans le réglage des propriétés de matériaux magnétiques et montrent que le α-RuCl3 monocouche peut être plus utile pour des applications d’informatique quantique que son pendant 3D.
D'autre part, la théorie prédit qu’un champ magnétique perpendiculaire peut produire un état de liquide de spin même lorsque le système n’est pas un liquide de spin au départ. « Ce que l’on sait à propos du cristal 3D, dit M. Tsen, c’est qu’il faut un champ magnétique extrêmement intense d’environ 35 teslas, peu accessible à la plupart des équipes, pour le faire sortir de son état fondamental. Mais, dans le cas d’une couche monoatomique, un champ magnétique beaucoup moins intense, de seulement 6 teslas, suffit à faire sortir le α-RuCl3 de son état fondamental, ce qui pourrait être très prometteur pour l’avenir. »
L’article intitulé Magnetic anisotropy reversal driven by structural symmetry-breaking in monolayer α-RuCl3 (Inversion d’anisotropie magnétique due à une rupture de la symétrie structurale dans α-RuCl3 monocouche) a été publié le 17 novembre dans Nature Materials par Bowen Yang, Fangchu Chen, Adam W. Tsen et leurs collaborateurs. M. Yang a récemment reçu un prix d’excellence de l’IQC pour ses travaux. Ces recherches ont été financées en partie par le Bureau de la recherche de l’Armée des États-Unis, ainsi que par Technologies quantiques transformatrices, de l’Université de Waterloo.
On peut isoler assez facilement un feuillet de ces matériaux ne comportant qu’une seule couche atomique. Cela permet d’étudier ce matériau quantique sous une forme qui se rapproche davantage du modèle proposé par Kitaev.