[論文レビュー] Layer thickness crossover of type-II multiferroic magnetism in NiI2

Shuang Wu, Xinyu Chen+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2023

Multiferroics and related materials被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、NiI2におけるタイプ-II多フェロ磁性における層厚さの変化に伴うクロスオーバーを明らかにした。バイレイヤーおよびそれ以上の厚さの膜では、スピンの degeneracy が層間交換結合によって破れ、磁性誘発第二高調波生成（SHG）が観測されるが、モノレイヤーNiI2ではこの応答を示さない。偏光分解SHGおよびラマン分光法により、層間交換相互作用がヘリマグネティック秩序とフェロエレクトリシティを安定化させる重要な役割を確認した。三層構造のNiI2ではバルクに類似した挙動を示した。

ABSTRACT

The discovery of atomically thin van der Waals ferroelectric and magnetic materials encourages the exploration of 2D multiferroics, which holds the promise to understand fascinating magnetoelectric interactions and fabricate advanced spintronic devices. In addition to building a heterostructure consisting of ferroelectric and magnetic ingredients, thinning down layered multiferroics of spin origin such as NiI2 becomes a natural route to realize 2D multiferroicity. However, the layer-dependent behavior, widely known in the community of 2D materials, necessitates a rigorous scrutiny of the multiferroic order in the few-layer limit. Here, we interrogate the layer thickness crossover of helimagnetism in NiI2 that drives the ferroelectricity and thereby type-II multiferroicity. By using wavelength-dependent polarization-resolved optical second harmonic generation (SHG) to probe the ferroic symmetry, we find that the SHG arises from the inversion-symmetry-breaking magnetic order, not previously assumed ferroelectricity. This magnetism-induced SHG is only observed in bilayer or thicker layers, and vanishes in monolayer, suggesting the critical role of interlayer exchange interaction in breaking the degeneracy of geometrically frustrated spin structures in triangular lattice and stabilizing the type-II multiferroic magnetism in few-layers. While the helimagnetic transition temperature is layer dependent, the few-layer NiI2 exhibits another thickness evolution and reaches the bulk-like behavior in trilayer, indicated by the intermediate centrosymmetric antiferromagnetic state as revealed in Raman spectroscopy. Our work therefore highlights the magnetic contribution to SHG and Raman spectroscopy in reduced dimension and guides the optical study of 2D multiferroics.

研究の動機と目的

• NiI2におけるタイプ-II多フェロ磁性の層厚さ依存性を調査すること。
• 少数層NiI2における第二高調波生成（SHG）の起源を特定し、フェロエレクトリシティと磁性秩序のどちらが原因であるかを区別すること。
• 三角格子内の幾何学的スピンフラストレーションを解消するための層間交換相互作用の役割を明確にすること。
• 少数層NiI2における磁性秩序および転移温度の厚さ依存的変化を特定すること。
• 磁性がSHGおよびラマン信号に与える寄与を確立することで、2次元多フェロ材料の光学的特徴付けを支援すること。

提案手法

• 少数層NiI2におけるフェロイック対称性の破れを調べるため、波長依存性および偏光分解第二高調波生成（SHG）を用いた。
• 少数層系の磁性相および対称性を特定するためにラマン分光法を用いた。
• 層依存的な磁性および電子的性質を比較するため、バイレイヤー、トリレイヤー、およびモノレイヤーNiI2に焦点を当てた。
• 理論的解釈により、SHG応答がフェロエレクトリシティではなくヘリマグネティック秩序による逆転対称性の破れに起因することを結びつけた。
• 異なる厚さにおけるSHG強度およびラマンモードの系統的比較により、磁性秩序のクロスオーバーを明らかにした。
• SHG偏光異方性の解析により、非線形光学応答の磁性起源を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 少数層NiI2における第二高調波生成（SHG）信号の起源は何か—フェロエレクトリシティか、磁性秩序か？
• RQ2 層間交換相互作用は、少数層NiI2におけるヘリマグネティック秩序の安定化にどのように寄与するか？
• RQ3 NiI2における磁性秩序がモノレイヤーからバイレイヤー／トリレイヤーの挙動に変化する厚さは何か？ そして、これにより多フェロ性にどのような影響を与えるか？
• RQ4 NiI2におけるヘリマグネティック転移温度は、厚さに非単調な依存性を示すか？
• RQ5 SHGおよびラマン分光法の応答は、層厚さに応じてどのように変化するか？ また、これらは磁性相に何を明らかにするか？

主な発見

• 偏光分解測定により確認されたように、NiI2におけるSHGはフェロエレクトリシティによるものではなく、ヘリマグネティック秩序による逆転対称性の破れに起因する。
• SHG信号はバイレイヤー以上でしか観測されず、モノレイヤーでは消えることから、層間交換結合が極めて重要な役割を果たしていることが示された。
• 層間交換相互作用は、三角格子内の幾何学的フラストレーションを受けるスピン状態の degeneracy を解消し、タイプ-II多フェロ磁性状態を安定化させる。
• 少数層NiI2におけるヘリマグネティック転移温度は、非単調な厚さ依存性を示し、三層構造ではバルクに類似した挙動を示した。
• ラマン分光法により、三層構造のNiI2に中間的な中心対称的反強磁性相が存在することが判明し、磁性相の明確な進化を示した。
• 本研究により、2次元多フェロ材料（NiI2など）における光学的非線形性の主な寄与要因はフェロエレクトリシティではなく磁性秩序であると確立された。