[論文レビュー] Metamagnetic Transitions in Few-Layer CrOCl Controlled by Magnetic Anisotropy Flipping

Minjie Zhang, Qifeng Hu+11 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2021

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 26被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、磁気異方性の反転によって誘発される場誘起メタ磁性転移を、数層のCrOClで実証した。垂直磁場下では、平面内容易軸が面外方向に再配列される。この転移はトンネル電流の急激な増加によって示され、特徴的な5ユニットセル周期の強磁性的スパイラル超構造を形成する。これは異方性工学による2次元磁性の制御を示す新しいメカニズムである。

ABSTRACT

The pivotal role of magnetic anisotropy in stabilising two-dimensional (2D) magnetism has been widely accepted, however, direct correlation between magnetic anisotropy and long-range magnetic ordering in the 2D limit is yet to be explored. Here, using angle- and temperature-dependent tunnelling magnetoresistance, we report unprecedented metamagnetic phase transitions in atomically-thin CrOCl, triggered by magnetic easy-axis flipping instead of the conventional spin flop mechanism. Few-layer CrOCl tunnelling devices of various thicknesses consistently show an in-plane antiferromagnetic (AFM) ground state with the easy axis aligned along the Cr-O-Cr direction (b-axis). Strikingly, with the presence of a magnetic field perpendicular to the easy-axis (H||c), magnetization of CrOCl does not follow the prevalent spin rotation and saturation pattern, but rather exhibits an easy-axis flipping from the in-plane to out-of-plane directions. Such magnetic anisotropy controlled metamagnetic phase transitions are manifested by a drastic upturn in tun- nelling current, which shows anomalous shifts towards higher H when temperature increases. By 2D mapping of tunnelling currents as a function of both temperature and H, we determine a unique ferrimagnetic state with a superstructure periodicity of five unit cells after the field-induced metam- agnetic transitions. The feasibility to control 2D magnetism by manipulating magnetic anisotropy may open enormous opportunities in spin-based device applications.

研究の動機と目的

• 2次元CrOClにおける長距離磁気秩序の安定化に寄与する磁気異方性の役割を調査すること。
• 磁気異方性の反転が、従来のスピンフロップ機構とは異なるメタ磁性転移を駆動できるかどうかを検討すること。
• 外部磁場下における原子層スケールのCrOClにおいて、新たな磁気相、特に超構造を同定および特徴づけること。
• 2次元ファンデルワールス磁性体における磁気異方性と出現する磁気秩序との直接的相関関係を確立すること。
• スピントロニクス応用のため、外部からの磁気異方性制御によって2次元磁性をチューニング可能であることを実証すること。

提案手法

• 数層のCrOClヘテロ構造を用いた、スピンカウントのないグラフェン/CrOCl/グラフェンジャンクションを用いて、角度および温度依存のトンネル磁気抵抗（TMR）測定を実施した。
• 非接触型原子間力顕微鏡（NC-AFM）およびラマン分光法を用いて、剥離されたCrOClフラケの厚さを同定および確認した。
• バイブレーティング・サンプル磁化計測定（VSM）および磁気トルク測定を用いて、体積磁性特性を特徴づけ、サンプルの品質を確認した。
• スピン-軌道結合およびファンデルワールス補正（SCAN+rVV10）を含む密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、電子構造および磁気異方性エネルギー（MAE）を計算した。
• 磁場および温度依存のトンネル電流の2次元マッピングにより、相転移および超構造形成を明らかにした。
• 冷却装置にサンプル回転装置を組み合わせることで、角度依存測定における平面内および面外磁場の方向制御を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気異方性の反転が、従来のスピンフロップ行動とは異なる、数層のCrOClにおけるメタ磁性転移を誘発できるか？
• RQ2 CrOClにおいて垂直磁場下に観察された磁気相転移の性質は何か？
• RQ3 厚さおよび外部磁場に伴う磁気異方性の変化はどのように進行し、長距離秩序の安定化に果たす役割は何か？
• RQ4 CrOClにおける場誘起相の超構造周期性および磁気秩序は何か？
• RQ5 磁気異方性工学が、ファンデルワールス材料における2次元磁性の制御に実用的であるメカニズムとして利用可能か？

主な発見

• 数層のCrOClは、容易軸がb軸（Cr-O-Cr方向）に整列した平面内反強磁性の基底状態を示す。
• c軸に垂直な磁場を印加することで、磁気異方性の反転転移が誘発され、容易軸が平面内から面外方向に再配列される。
• この転移は、トンネル電流の急激な上昇によって特徴づけられ、従来のスピンフロップ機構とは異なる場誘起メタ磁性転移であることが示された。
• 温度上昇に伴い電流ピークが高場側に非単調にシフトする異常な挙動は、異方性制御と関連している。
• トンネル電流の2次元マッピングにより、磁場誘起転移後に5ユニットセル周期の特徴的な強磁性的スパイラル超構造を持つ新しいフェルリ磁性状態が確認された。
• DFT計算により、平面内および面外の磁気異方性が競合的に存在することが確認され、スピン-軌道結合が外部磁場下での面外配向の安定化に重要な役割を果たしていることが示された。