[論文レビュー] Control of magnetism in bilayer CrI$_{3}$ by an external electric field

Eric Suárez Morell, Andrea León+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2018

2D Materials and Applications参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、外部電場が二層 CrI₃ のモノクライン性（HT）積層構造において反強磁性（AFM）から強磁性（FM）への可逆的磁気的相転移を誘発できることを示している。一方、ラホンドラスチック（LT）積層構造は強磁性を強く保っている。この相転移は、電場下でスピン分離バンドが剛体的にシフトすることに起因し、AFM相のエネルギー上昇がFM相よりも速いため、ヴァン・デル・ワールスヘテロ構造における磁気の電場制御が可能になる。

ABSTRACT

Recently intrinsic ferromagnetism in two-dimensional(2D) van der Waals materials was discovered [1, 2, 3]. A monolayer of Chromiun triiodide(CrI3) is ferromagnetic while a bilayer structure was reported to be anti-ferro magnetic, moreover an external electric field changes its magnetic phase [4]. We have studied the two found in nature stackings of CrI3 bilayers and found that indeed the magnetic phase of one of them can be tuned by an external electric field while the other remains ferromagnetic. We simulate those results with ab initio calculations and explain them with a simple model based on a rigid shift of the bands associated with different spins. The model can be applied to similar van der Waal stacked insulating bilayer anti-ferromagnets.

研究の動機と目的

• 異なる積層構造を有する二層 CrI₃ における外部電場の磁気的相への影響を調査すること。
• 電場が2次元ヴァン・デル・ワールス磁性体における磁気的秩序を可逆的にスイッチングできるかどうかを特定すること。
• HT相とLT相が電場に対して示す差異応答を説明する簡単なモデルを構築すること。
• 類似した二層反強磁性ヴァン・デル・ワールス系において、磁気の電場制御の一般的な原則を確立すること。

提案手法

• PBE交換相関関数と Cr d 軌道への DFT+U（U=2.0 eV）を用いた、Quantum Espresso および VASP を用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算。
• 正確な二層構造の緩和とエネルギー評価のため、ヴァン・デル・ワールス相互作用を DFT-D3 法で取り入れた。
• 外部電場の効果を、スピン分離バンドへのエネルギーシフト ∆ として模擬する剛体バンドシフトモデルの適用。
• k ポイントグリッドを最大 16×16×1 まで用い、全エネルギー、バンド構造、および投影状態密度の計算を 10⁻⁸ eV の収束閾値で実施。
• 電場強度（∆ を用いてモデル化）の関数として、FM 相と AFM 相のエネルギー差を比較し、相転移点を同定。
• 計算コード（QE と VASP）間での結果の整合性確認および実験的観察との整合性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部電場は二層 CrI₃ における磁気的相転移を誘発できるか？
• RQ2 なぜ HT（モノクライン性）積層では電場で磁気が制御可能であるのに対し、LT（ラホンドラスチック）積層ではそうではないのか？
• RQ3 二つの積層相が電場に対して示す差異応答を説明する電子的メカニズムは何か？
• RQ4 剛体バンドシフトに基づく簡単なモデルが、観察された電場誘起磁気的スイッチングを説明できるか？
• RQ5 このメカニズムは、各層の磁気モーメントが逆向きの他のヴァン・デル・ワールス二層反強磁性体にも一般化可能か？

主な発見

• 外部電場は、二層 CrI₃ のモノクライン性（HT）積層構造において、反強磁性（AFM）から強磁性（FM）への可逆的相転移を誘発する。
• ラホンドラスチック（LT）積層構造は、いかなる電場を加えても強磁性を維持し、磁気的スイッチングに対して強く安定している。
• HT 相では、電場強度が増加するにつれて、FM 相と AFM 相のエネルギー差が減少し、∆ ≈ 0.055 a.u. で交差点が現れ、相転移を示す。
• この相転移は、スピン分離バンドの剛体シフトに起因する。対称的な電子密度が両スピンチャネルに分配されているため、AFM 相のエネルギー上昇が FM 相よりも速い。
• ∆ > 0.055 a.u. に対応する電場強度では、HT 構造における FM 相が AFM 相よりも安定になることが確認され、電場誘起磁気的スイッチングの実現可能性が裏付けられた。
• 提案された剛体バンドシフトモデルは一般性を持ち、磁気モーメントが逆向きの他のヴァン・デル・ワールス二層反強磁性体に対しても適用可能である。