[論文レビュー] Direct observations of chiral spin textures in van der Waals magnet Fe3GeTe2 nanolayers

Hong Wang, Cuixiang Wang+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2019

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ひとこと要約

本研究では、低温下における磁性電子顕微鏡法および第一原理計算を用いて、超薄膜Fe3GeTe2ナノフラクチュアスにおいて、ネール型スカイメーションを含むキラルスピン構造の直接的実験的証明がなされた。研究者たちは、スピンキラリティの原因として有限の界面ディーザロシュチェンスキー＝モリスキー相互作用（DMI）を特定し、Fe3GeTe2が低温下での2次元ファンデルワールス磁性体におけるキラル磁性の研究プラットフォームであることを確立した。

ABSTRACT

In two-dimensional van der Waals (vdW) magnets, the presence of magnetic orders, strong spin-orbit coupling and asymmetry at interfaces is the key ingredient for hosting chiral spin textures. However, experimental evidences for chiral magnetism in vdW magnets remain elusive. Here we demonstrate unambiguously the formation of chiral spin textures in thin Fe3GeTe2 nanoflakes using advanced magnetic electron microscopy and first-principles calculations. Specifically, electron holography analyses reveal the spin configurations of Néel-type, zero-field-stabilized skyrmions in 20-nm-thick Fe3GeTe2 nanoflakes at cryogenic temperature. In situ Lorentz transmission electron microscopy measurements further provide detailed magnetic phase diagrams of chiral spin textures including spirals and skyrmions in Fe3GeTe2 as a function of temperature, applied magnetic field and specimen thickness. First-principles calculations unveil a finite interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction in the Te/Fe3Ge/Te slabs that induces the spin chirality in Fe3GeTe2. Our discovery of spin chirality in the prototypical vdW Fe3GeTe2 opens up new opportunities for studying chiral magnetism in two-dimensional vdW magnets from both fundamental and applied perspectives.

研究の動機と目的

• 2次元ファンデルワールス磁性体におけるキラルスピン構造の明確な実験的証明を確立すること。
• 界面非対称性およびスピン軌道結合が、Fe3GeTe2におけるキラル磁性の安定化に果たす役割を調査すること。
• 温度、磁場、膜厚の関数としてのキラルスピン構造の磁性相図をマッピングすること。
• 観察されたスピン構造と界面ディーザロシュチェンスキー＝モリスキー相互作用のような微視的メカニズムとの関連を特定すること。
• 基礎的およびデバイス指向の両観点から、2次元ファンデルワールス材料におけるキラル磁性の探求の基盤を提供すること。

提案手法

• 20-nm 厚のFe3GeTe2ナノフラクチュアスにおけるスピン配置を、低温下で直接画像化するために電子ホログラフィーが用いられた。
• イン・サイト・ローレンツ透過電子顕微鏡法により、磁場および温度を変化させた条件下で、磁性相転移のリアルタイム観察が可能となった。
• 界面におけるディーザロシュチェンスキー＝モリスキー相互作用（DMI）の存在と大きさを特定するため、Te/Fe3Ge/Te スレート上で第一原理計算が実施された。
• 実験的画像法とab initio シミュレーションの組み合わせにより、ネール型スカイメーションおよびキラルスピンスパイラルの同定が可能となった。
• 温度、磁場、および試料厚さを系統的に変化させることで、磁性相図が構築された。
• 理論的モデリングにより、Te/Fe3Ge界面における有限のDMIがスピンキラリティの原因であることが確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fe3GeTe2 などの2次元ファンデルワールス磁性体において、スカイメーションを含むキラルスピン構造を直接観察できるか？
• RQ2 特に界面ディーザロシュチェンスキー＝モリスキー相互作用と関連して、Fe3GeTe2におけるスピンキラリティの微視的起源は何か？
• RQ3 温度、外部磁場、および試料厚さは、Fe3GeTe2におけるキラルスピン構造の安定性および相転移にどのように影響するか？
• RQ4 第一原理計算は、Fe3GeTe2ナノフラクチュアスにおける実験的観察された磁性配置をどの程度再現できるか？
• RQ5 超薄膜Fe3GeTe2において、外部磁場なしに安定化されたスカイメーションを観察できるか、その存在を支える条件は何か？

主な発見

• 電子ホログラフィーにより、低温下の20-nm 厚のFe3GeTe2ナノフラクチュアスにおいて、外部磁場なしでネール型スカイメーションが直接可視化され、その存在が確認された。
• イントゥ・サイト・ローレンツTEMにより、さまざまな温度、磁場、膜厚の範囲でキラルスピンスパイラルおよびスカイメーションの形成が観察され、それらの相安定性がマッピングされた。
• 第一原理計算により、Te/Fe3Ge/Te スレートに有限の界面ディーザロシュチェンスキー＝モリスキー相互作用（DMI）が存在することが示され、これがスピンキラリティを駆動する主要因であることが明らかになった。
• 観察されたスピン構造は、Fe3GeTe2における固有の磁性秩序、強いスピン軌道結合、および界面における構造的非対称性の組み合わせによって安定化されている。
• 本研究により、Fe3GeTe2は2次元ファンデルワールス材料におけるキラル磁性を安定して持つ強固なプラットフォームであることが確立され、スピントロニクス応用の可能性を秘めている。
• 本研究は、ファンデルワールス磁性体におけるキラルスピン構造の最初の直接的実験的証明を提供し、2次元磁性における長年の疑問を解消した。