[論文レビュー] 2D correlations in the van der Waals ferromagnet CrBr$_{3}$ using high frequency electron spin resonance spectroscopy

C. L. Saiz, J. A. Delgado+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2020

2D Materials and Applications参考文献 46被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、240 GHzの高周波数電子スピン共鳴（ESR）分光法を用いて、体積状CrBr3における磁気相関を調査し、ESR線幅および共鳴磁場の温度依存性および角度依存性から二次元（2D）的挙動を明らかにした。データは、ベレジンスキー＝コスターリッツ＝トゥース（BKT）およびギンツブルグ＝ランダウ臨界定数モデルに良好にフィットし、3次元フェリ磁性体における2次元的相関およびBKTに類似した転移を示している。一方、共鳴磁場および線幅の角度依存性（3cos²θ −1）および（3cos²θ −1）²は、2次元的磁気的異方性を確認しており、これは外部磁場によって媒介されるFMおよびAFM相の共存に起因する可能性が高い。

ABSTRACT

Broadening the knowledge and understanding on the magnetic correlations in van der Waals layered magnets is critical in realizing their potential next-generation applications. In this study, we employ high frequency (240 GHz) electron spin resonance (ESR) spectroscopy on plate-like CrBr$_{3}$ to gain insight into the magnetic interactions as a function of temperature (200 - 4 K) and the angle of rotation ${ heta}$. We find that the temperature dependence of the ESR linewidth is well described by the Ginzberg-Landau critical model as well as Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) transition model, indicative of the presence of two-dimensional (2D) correlations. This suggests that the three-dimensional ferromagnet CrBr$_{3}$, which has been described as an Ising or Heisenberg ferromagnet, could present 2D magnetic correlations and BKT-like behavior even in its bulk form; an observation that, to the best of our knowledge, has not been reported in the literature. Furthermore, our findings show that the resonance field follows a $(3cos^2{ heta} - 1)$-like angular dependence, while the linewidth follows a $(3cos^2{ heta} - 1)^2$-like angular dependence. This observed angular dependence of the resonance field and linewidth further confirm an unanticipated 2D magnetic behavior in CrBr$_{3}$. This behavior is likely due to the interaction of the external magnetic field applied during the ESR experiment that allows for the mediation of long-range vortex-like correlations between the spin clusters that may have formed due to magnetic phase separation. This study demonstrates the significance of employing spin sensitive techniques such as ESR to better understand the magnetic correlations in similar van der Waals magnets.

研究の動機と目的

• 高周波ESR分光法を用いて、体積状CrBr3における磁気的相関の性質を調査すること。
• 2次元的磁気的挙動、特にベレジンスキー＝コスターリッツ＝トゥース（BKT）転移が、3次元のvan der Waalsフェリ磁性体において出現するかどうかを特定すること。
• スピンダイナミクスおよび磁気的異方性を調べるため、ESR線幅および共鳴磁場の温度および角度依存性を分析すること。
• CrBr3における2次元的挙動の起源、特に磁気的相分離および準位相間相関と関連して特定すること。

提案手法

• 200–4 Kの温度範囲で、単結晶CrBr3に対して高周波（240 GHz）電子スピン共鳴（ESR）分光測定を実施した。
• 共鳴磁場および線幅の角度依存性を調べるため、θ = 0° から 162° の角度でESR測定を実施した。
• ESR線幅の温度依存性を、ギンツブルグ＝ランダウ臨界定数モデルおよびベレジンスキー＝コスターリッツ＝トゥース（BKT）転移モデルにフィットさせ、臨界指数および2次元的性質を評価した。
• 共鳴磁場の角度依存性は H_res(θ) = F(3cos²θ −1) + G でモデル化し、線幅は ∆H(θ) = A(3cos²θ −1)² + B でモデル化した。両者とも実験的オフセットを補正するため、位相シフトを導入した。
• 分析の焦点は、非立方晶の双極子的場効果およびq ~ 0のスピンフラクチュエーションを示す2次元的磁気的挙動の兆候の同定にあった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CrBr3におけるESR線幅の温度依存性は、ベレジンスキー＝コスターリッツ＝トゥース（BKT）やギンツブルグ＝ランダウ臨界定数モデルに類似した2次元的磁気的相関を示すか？
• RQ2 CrBr3におけるESR共鳴磁場および線幅の角度依存性は何か？ そして、これは2次元的磁気的異方性を反映しているか？
• RQ3 3次元的フェリ磁性体としてのCrBr3において、BKTに類似した転移を示す2次元的磁気的挙動が観測可能か？
• RQ4 磁気的相分離（FMおよびAFM相の共存）は、CrBr3における長距離スピンの渦状相関を媒介する役割を果たすか？
• RQ5 ESR実験における外部磁場の印加が、CrBr3における2次元的相関の観測にどのように影響するか？

主な発見

• CrBr3におけるESR線幅の温度依存性は、ベレジンスキー＝コスターリッツ＝トゥース（BKT）転移モデルに良好にフィットし、臨界温度TBKT = 13.74 K、R² = 0.9906であり、BKTに類似した挙動を示している。
• ギンツブルグ＝ランダウ臨界定数モデルも線幅データにフィットし、臨界指数b = π/2、R² = 0.9903であり、磁気的相関における2次元的性質が確認された。
• 共鳴磁場は、(3cos²θ −1)に類似した角度依存性を示しており、2次元的磁気系と整合的であり、異方的双極子相互作用を示唆している。
• 線幅は、(3cos²θ −1)²に類似した角度依存性を示し、θ ≈ 55°付近に浅い最小値を持つW字型のカーブを形成しており、低次元的磁性体の特徴である。
• 共鳴磁場および線幅の両方の角度依存性が、位相シフトを加えたモデルで良好にフィットされ、2次元的磁気的異方性および長距離の渦状相関の存在が確認された。
• 観測された2次元的挙動は、ESR測定中の外部磁場によって媒介される、体積状CrBr3におけるフェリ磁性相と反強磁性相の共存に起因するとされる。