[論文レビュー] Itinerant ferromagnetism mediated by giant spin polarization of metallic ligand band in van der Waals magnet Fe5GeTe2

Kohei Yamagami, Yuita Fujisawa+16 more|Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University)|Jan 5, 2021

2D Materials and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、van der Waals 磁性体 Fe5GeTe2 における移動性フェロ磁性が、Fe 3d 電子にのみ依存するのではなく、拡散性 Te p バンドの巨大スピン偏極によって媒介されていることを明らかにした。ソフトX線角度分解光電子分光法（SX-ARPES）および要素特異的X線磁気円二色性（XMCD）を用いて、著者らは配位子としてのTe状態が、非磁性元素としては史上最高のXMCD信号を示したことを実証し、金属的配位子バンドのスピン偏極を通じて長距離フェロ磁性秩序の安定化に重要な役割を果たしていることを示した。

ABSTRACT

We investigate near-Fermi-energy (EF) element-specific electronic and spin states of ferromagnetic van der Waals (vdW) metal Fe5GeTe2. The soft x-ray angle-resolved photoemission spectroscopy (SX-ARPES) measurement provides spectroscopic evidence of localized Fe 3d band. We also find prominent hybridization between the localized Fe 3d band and the delocalized Ge/Te p bands. This picture is strongly supported from direct observation of the remarkable spin polarization of the ligand p bands near EF, using x-ray magnetic circular dichroism (XMCD) measurements. The strength of XMCD signal from ligand element Te shows the highest value, as far as we recognize, among literature reporting finite XMCD signal for none-magnetic element in any systems. Combining SX-ARPES and elemental selective XMCD measurements, we collectively point an important role of giant spin polarization of the delocalized ligand Te states for realizing itinerant long-range ferromagnetism in Fe5GeTe2. Our finding provides a fundamental elemental selective view-point for understanding mechanism of itinerant ferromagnetism in low dimensional compounds, which also leads insight for designing exotic magnetic states by interfacial band engineering in heterostructures.

研究の動機と目的

• Fermi準位近傍におけるvan der Waalsフェロ磁性体Fe5GeTe2の電子構造およびスピン構造を理解すること。
• この低次元系における長距離フェロ磁性秩序の起源を特定すること。
• Ge や Te などの配位子元素が非磁性であるにもかかわらず、スピン偏極に顕著に寄与しているかどうかを調査すること。
• 局在化した遷移金属d軌道に加えて、拡散性配位子バンドが関与する新しいメカニズムを、移動性フェロ磁性の理解に確立すること。

提案手法

• Fermi準位近傍におけるFe 3dおよびGe/Te p バンド寄与を特定するため、ソフトX線角度分解光電子分光法（SX-ARPES）を用いて電子バンド構造をマッピングすること。
• 特にTeに注目し、個々の要素のスピン偏極を調べるため、要素特異的X線磁気円二色性（XMCD）を用いること。
• Fe 3d と Ge/Te p バンド間のスペクトル重みおよび混合性を分析し、スピン秩序におけるそれらの役割を評価すること。
• XMCD信号の要素間比較を通じて、特にTeにおけるスピン偏極の強度を定量すること。
• Fermi準位における電子構造データを用いて、スピン偏極と長距離磁性秩序との相関を結びつけること。
• 分光的データと理論的解釈を統合し、フェロ磁性の支配的メカニズムを同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 配位子p バンド（GeおよびTe）は、Fe5GeTe2におけるフェロ磁性の媒介に果たす役割は何か？
• RQ2 非磁性元素であるTeが、いかにしてあらゆる系において史上最高のXMCD信号を示すに至ったのか？
• RQ3 Fe 3d と Ge/Te p バンド間の混合性は、スピン偏極および磁性秩序にどのように影響するか？
• RQ4 局在化したFe 3d スピンモーメントに比べて、拡散性配位子状態が移動性フェロ磁性にどれほど寄与しているか？
• RQ5 配位子バンドの巨大スピン偏極は、磁性ヘテロ構造の設計に一般化可能なメカニズムとして機能するか？

主な発見

• 配位子としてのTe p バンドは、非磁性元素としては史上最高のXMCD信号を示し、他の報告済み系と比較して顕著に大きな大きさを示した。
• SX-ARPESにより、Fermi準位近傍で局在化したFe 3d バンドと拡散性のGe/Te p バンドとの顕著な混合性が観測された。
• 要素特異的XMCDにより、金属的Te p バンドの巨大スピン偏極が確認され、これがフェロ磁性基底状態の中心的役割を果たしていることが示された。
• Fe 3d バンドは局在的性質を示す一方で、スピン偏極は主に拡散性配位子状態によって担われている。
• 総合的な証拠は、移動性フェロ磁性が、局在的Feモーメントにのみ依存するのではなく、スピン偏極された配位子バンドによって媒介されているというメカニズムを支持している。
• 本研究は、低次元材料における移動性フェロ磁性の理解に、配位子バンドのスピン偏極という新しいパラダイムを確立した。