[論文レビュー] Magnetism, symmetry and spin transport in van der Waals layered systems

H. Kurebayashi, José H. García+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2021

2D Materials and Applications被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、磁性、スピン軌道結合（SOC）および界面対称性の相乗効果を活用することで、van der Waals（vdW）ヘテロ構造におけるスピン輸送および磁化スイッチングのためのフレームワークを提案する。2次元磁性材料における対称性に保護されたスピンテクスチャーとスピン軌道トーキー（SOT）効率の分析を通じて、SOT駆動の磁化スイッチングを最大化するための設計原則を同定し、モノレイヤー極限における低エネルギーで高効率なスピントロニクス素子の実現を可能にする。

ABSTRACT

The discovery of an ever increasing family of atomic layered magnetic materials, together with the already established vast catalogue of strong spin-orbit coupling (SOC) and topological systems, calls for some guiding principles to tailor and optimize novel spin transport and optical properties at their interfaces. Here we focus on the latest developments in both fields that have brought them closer together and make them ripe for future fruitful synergy. After outlining fundamentals on van der Waals (vdW) magnetism and SOC effects, we discuss how their coexistence, manipulation and competition could ultimately establish new ways to engineer robust spin textures and drive the generation and dynamics of spin current and magnetization switching in 2D materials-based vdW heterostructures. Grounding our analysis on existing experimental results and theoretical considerations, we draw a prospective analysis about how intertwined magnetism and spin-orbit torque (SOT) phenomena combine at interfaces with well-defined symmetries, and how this dictates the nature and figures-of-merit of SOT and angular momentum transfer. This will serve as a guiding role in designing future non-volatile memory devices that utilize the unique properties of 2D materials with the spin degree of freedom.

研究の動機と目的

• 界面対称性とスピン軌道結合（SOC）を活用することで、van der Waals（vdW）磁性ヘテロ構造におけるスピン軌道トーキー（SOT）効率を最大化するための設計原則を確立すること。
• 室温スピントロニクス応用に向けた2次元磁性材料における高いCurie温度またはNéel温度を達成する挑戦に応えること。
• 耐障害性のあるスピンテクスチャーと効率的な角運動量移動を可能にする物質的・構造的配置を同定すること。
• 対称性に基づく理論的分析とスクリーニングを組み合わせることで、高SOT効率を示す新しい2次元材料の発見を支援すること。
• 界面レジストリおよび低対称性結晶構造が、特異なSOCハミルトニアンおよび新しいスピン輸送現象を可能にする役割を明らかにすること。

提案手法

• 対称性群論を用いて2次元vdW材料における磁性とSOCの相乗効果を分析し、可能なスピンテクスチャーとSOTメカニズムを分類する。
• 低対称性系におけるスピン依存電子構造の記述とスピンテクスチャー形成の予測のため、SOC項を含むタイトバインディングモデルを用いる。
• 大規模モデルにおけるスピンホールおよびスピン軌道トーキー応答を計算するため、Kubo公式（式7）を用い、不純物や摂動論的でない効果を考慮する。
• 空間群解析を用いて、強磁性および反強磁性vdW系の両方においてSOT効率とスピンテクスチャー対称性を予測する。
• CrI3、Fe3GeTe2、MnSe2からの実験データと理論的予測を統合し、界面対称性および層積層構造の役割を検証する。
• 物質データベースの高スルーレット計算スクリーニングを用いて、高いT_Cと強いSOCを示す候補となる2次元磁性半導体を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 vdWヘテロ構造における界面対称性および層レジストリは、スピンテクスチャーの形成と安定性、およびSOT効率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 2次元磁性材料におけるSOT効率の上限は何か？そして、対称性とSOCの設計によってどのように最大化できるか？
• RQ3 vdW磁性体における低対称性結晶構造は、どのように特異なスピン軌道ハミルトニアンを生じさせ、スピン輸送現象を強化するか？
• RQ4 対称性に基づく分析は、2次元磁性系におけるトポロジカルスピン輸送および非自明なスピンテクスチャーの出現を予測できるか？
• RQ5 プロキシミティ効果および界面結合は、vdWヘテロ構造におけるスカイム粒子、磁気モード、およびエンタングルド多体状態の生成に果たす役割は何か？

主な発見

• 2次元vdW材料における磁性と強いスピン軌道結合の共存は、モノレイヤー極限において頑健なスピンテクスチャーと効率的なスピン軌道トーキー（SOT）を生成可能である。
• vdW磁性体における低対称性結晶構造は、適切に設計された対称性を介して、特異なスピン軌道ハミルトニアンを提供し、SOT効率を顕著に向上させる基盤を提供する。
• 界面現象、特に層間レジストリと界面対称性は、SOTおよび角運動量移動の性質と大きさを規定し、磁化スイッチングに顕著な影響を及ぼす。
• 対称性解析とタイトバインディングアプローチを用いた理論的モデリングは、SOT効率とスピンテクスチャー形成を効果的に予測でき、CrI3およびFe3GeTe2における実験観測と強い整合性を示した。
• 物質データベースの高スルーレットスクリーニングにより、モノレイヤーFe3P（予想されるT_C = 420 K）およびCrWI6/CrWGe2Te6が、超交換相互作用によって室温を超える強磁性秩序を示す有望な候補として同定された。
• MnBi2Te4のような反強磁性およびトポロジカルvdW材料において、Néelスピン軌道トーキーおよびトポロジカルに保護された輸送といった新規現象が予測され、スピントロニクス応用の新たな道筋が開かれた。