[論文レビュー] A van der Waals Interface Hosting Two Groups of Magnetic Skyrmions

Yingying Wu, Brian San Francisco+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2021

2D Materials and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、反転対称性の破れに起因する界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）によって、二つの強磁性層にそれぞれ異なる磁気スカイメロンの群を有するFe₃GeTe₂（FGT）とCr₂Ge₂Te₆（CGT）のファンデルワールスヘテロ構造が実現された。スカイメロンは磁気力顕微鏡（MFM）を用いて直接像として観察され、外部磁場なしでも安定して存在し、二重の電気的ゲート制御と調整可能なねじれ角度を備えたマルチステートスカイメリオンメモリデバイスの基盤を提供する。

ABSTRACT

Multiple magnetic skyrmion phases add an additional degree of freedom for skyrmion based ultrahigh-density spin memory devices. Extending the field to two-dimensional van der Waals magnets is a rewarding challenge, where the realizable degree of freedoms (e.g. thickness, twisting angle and electrical gating) and high skyrmion density result in intriguing new properties and enhanced functionality. We report a van der Waals interface, formed by two 2D ferromagnets Cr2Ge2Te6 and Fe3GeTe2 with a Curie temperature of ~65 K and ~205 K, respectively, hosting two groups of magnetic skyrmions. Two sets of topological Hall effect are observed below 60 K when Cr2Ge2Te6 is magnetically ordered. These two groups of skyrmions are directly imaged using magnetic force microscopy. Interestingly, the magnetic skyrmions persist in the heterostructure in the remanent state with zero applied magnetic field. Our results are promising for the realization of skyrmionic devices based on van der Waals heterostructures hosting multiple skyrmion phases.

研究の動機と目的

• スピントロニクス機能を強化するため、二つの明確に異なる磁気スカイメロンの群を有するファンデルワールスヘテロ構造の実現。
• 2次元強磁性ヘテロ構造における界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）を活用し、両層にスカイメロンを安定化させること。
• 磁気力顕微鏡（MFM）を用いて、外部磁場をゼロにした状態でもスカイメロンの直接像としての観察と、その場での安定性を実証すること。
• 原子層程度の薄い2次元ヘテロ構造において、二重の電気的ゲート制御とねじれ角度の調整によるスカイメロン相の制御可能性を検討すること。
• 超高密度でマルチステートのスカイメリオンベースのメモリおよび計算アーキテクチャを実現するための新規な基盤を確立すること。

提案手法

• 化学蒸発法（CVT）を用いた高品質な単結晶Fe₃GeTe₂（FGT）およびCr₂Ge₂Te₆（CGT）の成長と、化学 stoichiometry の精密な制御。
• 2 Kまで冷却可能な高感度磁気輸送測定を実施するための電子線リソグラフィーを用いたホールバー素子の作製。
• コア-クロム被膜を有するプローブを用いた低温磁気力顕微鏡（MFM）を定高モードで実行し、約100 nmのプローブ-試料距離でスカイメロン格子を像として観察。
• スカイメロン相の検出のためのトポロジカルホール効果（THE）の測定を実施し、ホール抵抗率の急峻な変化（キーンクス）を解析してスカイメロン形成の兆候を特定。
• THEおよびMFMデータからスカイメロンのサイズとDMIエネルギーを抽出し、FGTにおけるDMIの推定値を|D| = 0.31 ± 0.13 mJ/m²と算出。
• 温度および磁場を系統的に変化させ、スカイメロン相の安定性とMFMにおけるコントラスト反転をマップする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二つの2次元強磁性体からなるファンデルワールスヘテロ構造が、同時に二つの明確に異なるスカイメロン相を有することができるか？
• RQ2 FGT/CGTヘテロ構造において60 K未満で観測された二つのトポロジカルホール効果のセットの起源は何か？
• RQ3 この2次元ヘテロ構造において、外部磁場をゼロにした状態（残留磁化状態）でも磁気スカイメロンが安定して存在するか？
• RQ4 FGT層とCGT層におけるスカイメロンのサイズとDMI強度はどのように異なるか？
• RQ5 二重の電気的ゲート制御とねじれ角度のエンジニアリングを用いて、このようなヘテロ構造内のスカイメロン相を独立して制御可能か？

主な発見

• 反転対称性の破れに起因する界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）のおかげで、FGT/CGTファンデルワールスヘテロ構造に二つの明確に異なるスカイメロンの群が安定化した。
• 60 K未満で観測されたホール抵抗率の二つのキーンクスは、FGTおよびCGT両層にスカイメロン相が存在することを確認し、60 K以上では片方のキーンクスしか観測されない。
• 磁気力顕微鏡（MFM）により、FGTおよびCGT両側にヘキサゴナル格子を形成するスカイメロンが直接像として観察され、温度が低下するにつれてスカイメロンのサイズが減少した。
• 外部磁場をゼロにした状態でもスカイメロンが安定して存在し、トポロジカルな安定性が示された。
• FGTにおけるDMIエネルギーは|D| = 0.31 ± 0.13 mJ/m²と推定され、他のvdWヘテロ構造でスカイメロンを有する系と整合的であった。
• MFMから抽出したスカイメロンのサイズは、THEから抽出した値のおよそ10倍大きく、プローブ感度の違いや平均化効果の違いが原因であると示唆された。