[論文レビュー] Anisotropic Gigahertz Antiferromagnetic Resonances of the Easy-Axis van der Waals Antiferromagnet CrSBr

Thow Min Jerald Cham, Saba Karimeddiny+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2022

2D Materials and Applications参考文献 31被引用数 57

ひとこと要約

本研究では、マイクロ波吸収分光法を用いて、5 Kで単結晶CrSBrにおける、外部磁場の大きさおよび角度の関数としての共振モードをマップすることで、van der Waals型反強磁性体CrSBrでギガヘルツ周波数帯の反強磁性共鳴を報告している。実験により、層間交換相互作用（µ₀Hₑ = 0.395(2) T）と三軸磁気的異方性（µ₀Hc = 1.30(2) T、µ₀Ha = 0.383(7) T）によって支配される異方性ダイナミクスが明らかになった。面内磁場を用いることで、スピンフロップ転移と対称性選択則を介したモード混合が制御可能である。

ABSTRACT

We report measurements of antiferromagnetic resonances in the van der Waals easy-axis antiferromagnet CrSBr. The interlayer exchange field and magnetocrystalline anisotropy fields are comparable to laboratory magnetic fields, allowing a rich variety of gigahertz-frequency dynamical modes to be accessed. By mapping the resonance frequencies as a function of the magnitude and angle of applied magnetic field we identify the different regimes of antiferromagnetic dynamics. The spectra show good agreement with a Landau-Lifshitz model for two antiferromagnetically-coupled sublattices, accounting for inter-layer exchange and triaxial magnetic anisotropy. Fits allow us to quantify the parameters governing the magnetic dynamics: at 5 K, the interlayer exchange field is $\mu_0 H_E =$ 0.395(2) T, and the hard and intermediate-axis anisotropy parameters are $\mu_0 H_c =$ 1.30(2) T and $\mu_0 H_a =$ 0.383(7) T. The existence of within-plane anisotropy makes it possible to control the degree of hybridization between the antiferromagnetic resonances using an in-plane magnetic field.

研究の動機と目的

• 容易軸を有するvan der Waals型反強磁性体CrSBrにおけるギガヘルツ周波数帯の反強磁性共鳴モードを同定すること。
• マイクロ波分光法を用いて、CrSBrにおける層間交換磁場および三軸磁気的異方性パラメータを定量すること。
• 特に面内磁場を用いることで、音響モードと光学モードの間の混合がどのように制御されるかを調査すること。
• Landau-Lifshitzモデルを用いて、磁気的異方性および対称性が、観測可能な共鳴モードの選択に果たす役割を理解すること。
• スピントロニクス素子統合を目的とした2次元磁性材料における反強磁性ダイナミクスを調整する定量的フレームワークを確立すること。

提案手法

• 5 Kで単結晶CrSBrの反強磁性共鳴を測定するため、共面波ガイドを用いたマイクロ波吸収分光法を実施。
• Néールベクトルに対して相対的にH∥およびH⊥となるように、可変な角度で外部のDC磁場を印加し、共鳴周波数の依存性をマップ。
• 低マイクロ波出力（-20 dBm）を用いた2ポートベクトルネットワークアナライザを用い、線形応答を確保するとともに、加熱効果を回避。
• 2つのスピンサブラットスの系を、マクロスピン近似を用いた結合されたLandau-Lifshitz方程式でモデル化。層間交換相互作用（−HE ˆm₂）および三軸異方性（−Hc(ˆm·ĉ)ĉ − Ha(ˆm·â)â）を含む。
• 測定された共鳴スペクトルをLandau-Lifshitzモデルにフィッティングし、層間交換磁場および異方性磁場を抽出。
• a軸まわりの2重回転対称性を用いた対称性解析により、H⊥配置における音響モードの選択的励起を説明。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CrSBrにおけるギガヘルツ周波数帯の反強磁性共鳴モードは、外部磁場の大きさおよび方向にどのように依存するか？
• RQ2 低温下におけるCrSBrの層間交換磁場および三軸磁気的異方性磁場の定量的値は何か？
• RQ3 CrSBrに存在する面内異方性は、どのように面内磁場を用いてモード混合を制御可能にするか？
• RQ4 なぜ特定の共鳴モード（例：音響モード）のみが特定の磁場配置で観測されるのか？対称性がこの選択にどのように寄与するか？
• RQ5 実験的共鳴スペクトルは、三軸異方性を含む2スピンサブラットスのLandau-Lifshitzモデルの予測とどの程度一致するか？

主な発見

• 5 Kで、CrSBrの層間交換磁場はµ₀Hₑ = 0.395(2) Tとして定量され、ギガヘルツダイナミクスを可能にする弱い層間結合を確認した。
• 硬軸異方性磁場はµ₀Hc = 1.30(2) T、中間軸異方性磁場はµ₀Ha = 0.383(7) Tであり、強い三軸異方性を示している。
• 共鳴スペクトルには、H∥ ≈ ±0.4 Tで不連続な遷移が観測され、これはNéールベクトルが90°回転して飽和するスピンフロップ転移と整合的である。
• H⊥配置（磁場がa軸に沿う）では、2重回転対称性により光学モードが抑制され、音響モードのみが観測された。
• 光学モードは、磁場が対称性を破る配置（例：H∥配置）にある場合にのみ、選択的に励起された。
• 温度依存的フィッティングにより、異方性および交換パラメータが温度上昇に伴い減少し、ネール温度（Tₙ ≈ 132 K）に近づくことが示された。