[論文レビュー] Hall micromagnetometry of individual two-dimensional ferromagnets

Minsoo Kim, Piranavan Kumaravadivel+15 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2019

2D Materials and Applications参考文献 28被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、再利用可能なグラフェンベースのホールバーを用いたボールスティックホールマイクロマグネトメトリーを導入し、個々の2次元フェリ磁性体をプローブする。モノレイヤー CrBr3 が強い面外方位異方性を示し、厚さにほとんど依存しない臨界温度を示すことが実証された。これは2次元イジング模型の予測を挑戦するものであり、原子層スケールのファンデルワールスヘテロ構造における特異な磁気的性質を明らかにした。

ABSTRACT

The recent advent of atomically-thin ferromagnetic crystals has allowed experimental studies of two-dimensional (2D) magnetism that not only exhibits novel behavior due to the reduced dimensionality but also often serves as a starting point for understanding of the magnetic properties of bulk materials. Here we employ ballistic Hall micromagnetometry to study magnetization of individual 2D ferromagnets. Our devices are multilayer van der Waals (vdW) heterostructures comprising of an atomically-thin ferromagnetic crystal placed on top of a Hall bar made from encapsulated graphene. 2D ferromagnets can be replaced repeatedly, making the graphene-based Hall magnetometers reusable and expanding a range of their possible applications. The technique is applied for the quantitative analysis of magnetization and its behavior in atomically thin CrBr3. The compound is found to remain ferromagnetic down to a monolayer thickness and exhibit high out-of-plane anisotropy. We report how the critical temperature changes with the number of layers and how domain walls propagate through the ultimately thin ferromagnets. The temperature dependence of magnetization varies little with thickness, in agreement with the strongly layered nature of CrBr3. The observed behavior is markedly different from that given by the simple 2D Ising model normally expected to describe 2D easy-axis ferromagnetism. Due to the increasingly common usage of vdW assembly, the reported approach offers vast possibilities for investigation of 2D magnetism and related phenomena.

研究の動機と目的

• 原子スケールで個々の2次元フェリ磁性体を高感度でプローブする再利用可能な技術の開発。
• 層数を変化させた際の原子層スケールの CrBr3 の磁化挙動の調査。
• 2次元フェリ磁性体における臨界温度および磁気異方性の進化を理解すること。
• 超薄膜フェリ磁性体におけるドメイン壁の動的挙動の検討。
• CrBr3 のような実際の2次元簡単軸フェリ磁性体を記述するための2次元イジング模型の妥当性の検証。

提案手法

• 原子層スケールのフェリ磁性結晶（例：CrBr3）をグラフェンホールバー上に配置した多層ファンデルワールスヘテロ構造の作製。
• カプセル化されたグラフェンにおけるボールスティックホール効果を用いて、個々の2次元フェリ磁性体からの局所的磁場を検出。
• 2次元フェリ磁性層を繰り返し交換可能な再利用可能なデバイス構造の実装。
• 磁化を抽出するために、印加磁場および温度関数としてのホール電圧の定量的測定。
• 温度依存磁化曲線および超薄膜膜におけるドメイン壁の伝播の分析。
• 実験結果を2次元イジング模型の予測と比較し、モデルの妥当性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 極めて薄くなったにもかかわらず、モノレイヤー CrBr3 はフェリ磁性秩序を維持するか？
• RQ2 CrBr3 の臨界温度は層数にどのように依存するか？
• RQ3 モノレイヤー CrBr3 の磁気モーメントの大きさおよび異方性はどの程度か？
• RQ4 原子層スケールのフェリ磁性体におけるドメイン壁はどのように移動し、進化するか？
• RQ5 CrBr3 の観測された挙動は、2次元イジング模型の予測と一致するか？

主な発見

• モノレイヤー CrBr3 は低温でフェリ磁性を示し、単一原子層まで安定な磁気秩序が維持されることを示した。
• CrBr3 は強い面外磁気異方性を示しており、簡単軸フェリ磁性体としての性質と整合的である。
• CrBr3 の臨界温度は層数の変化に伴い僅かにしか変化せず、強く層状の磁気的性質を示していることが明らかになった。
• 磁化の温度依存性はほとんど厚さに依存せず、単純な2次元イジング模型の予測とは対照的である。
• 超薄膜 CrBr3 におけるドメイン壁の伝播は、2次元イジング模型が予測するものとは明確に異なる動的挙動を示した。
• 実験結果は2次元イジング模型から著しく逸脱しており、実際の2次元フェリ磁性体には追加の磁気的相互作用や異方性機構が存在する可能性を示唆している。