[論文レビュー] Nonvolatile switching of magnetic order by electric fields in an orbital Chern insulator

Hryhoriy Polshyn, Jihang Zhu+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2020

Topological Materials and Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、ねじれグラフェン単層およびバイレイヤーを用いたファンデルワールスヘテロ構造を用いて、軌道チャーン絶縁体における磁気秩序の非揮発的電場制御を実証した。ゲート電圧による化学ポテンシャルの調整により、$ u=3 $ の状態で量子異常ホール効果のヒステリシス的反転を観測し、電場のみでトップologically保護された磁気状態を直接的かつ非揮発的にスイッチングできることを裏付けた。

ABSTRACT

Magnetism typically arises from a conspiracy between Fermi statistics and repulsive Coulomb interactions that favors ground states with non-zero electron spin. As a result, controlling spin magnetism with electric fields---a longstanding technological goal---can be achieved only indirectly using spin orbit coupling. Here, we experimentally demonstrate direct electric field control of magnetic states in an orbital Chern insulator, a magnetic system in which non-trivial band topology favors long range order of orbital angular momentum but the spins remained disordered. We use van der Waals heterostructures consisting of a graphene monolayer rotationally faulted with respect to a Bernal-stacked bilayer to realize narrow and topologically nontrivial valley-projected moire minibands. At fillings $ u=1$ and $3$ electrons per moire unit cell within these bands, we observe quantized anomalous Hall effects with $R_{xy}\approx h/2e^2$, indicative of spontaneous polarization of the system into a single valley-projected band with Chern number $C=2$. At $ u=3$ we find that the sign of the quantum anomalous Hall effect can be reversed via field-effect control of the chemical potential; moreover, this transition is hysteretic, which we use to demonstrate nonvolatile electric field induced reversal of the magnetic state. A theoretical analysis indicates that the effect arises from the topological edge states, which drive a change in sign of the magnetization and thus a reversal in the favored magnetic state. Voltage control of magnetic states can be used to electrically pattern nonvolatile magnetic domain structures hosting chiral edge states, with applications ranging from reconfigurable microwave circuit elements to ultra-low power magnetic memory.

研究の動機と目的

• スピン自由度が秩序を示さない系において、磁気秩序の直接的電気的制御を達成すること。
• モアレスーパーラティスにおけるトポロジカルバンド構造が、電場誘起磁気状態スイッチングを可能にするかを調査すること。
• 量子異常ホール効果の電圧誘起反転を実証し、非揮発メモリ機能を示すこと。
• 相関電子系において、トポロジカルエッジ状態と巨視的磁化反転の間の関係を確立すること。

提案手法

• 回転不完全性を有するグラフェン単層をベーナルスタックのバイレイヤー上に積層し、狭い、バルク化されたモアレミニバンドを形成するファンデルワールズヘテロ構造を形成した。
• 静電的ゲーティングにより電子占有数を調整し、単位胞あたり $ u=1 $ および $ u=3 $ の電子占有状態にアクセスするモアレスーパーラティスを設計した。
• 横方向ホール抵抗 $ R_{xy} $ を測定し、量子化された異常ホール効果を検出。$ R_{xy} \approx h/2e^2 $ の観測により、チャーン数 $ C=2 $ の状態であることを確認した。
• ゲート電圧を印加して化学ポテンシャルを調整し、ホール信号のヒステリシスをモニタリングすることで、磁気状態の非揮発的スイッチングを確認した。
• 理論的モデリングを用いて、観測された磁化反転が、系の有効磁気秩序の符号変化を引き起こすトポロジカルエッジ状態によって駆動されていることを示した。
• フィールド効果制御を用いてキラルエッジ状態を電気的にパターン化し、再構成可能な磁気ドメインを実証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン磁性が存在しない、あるいは無秩序な系において、電場が磁気秩序を直接制御可能か？
• RQ2 トポロジカルモアレ系における量子異常ホール効果はゲート電圧によって可逆的か？また、ヒステリシスを示すか？
• RQ3 トポロジカルエッジ状態が電場誘起磁化反転を媒介する役割を果たすか？
• RQ4 スピン軌道結合に依存しない相関電子系でも、非揮発的磁気スイッチングが達成可能か？
• RQ5 満たされたバンドのチャーン数が、静電的チューニング下での磁気状態の安定性および可逆性に与える影響は何か？

主な発見

• $ u=3 $ の状態で、$ R_{xy} \approx h/2e^2 $ の量子化された異常ホール効果を観測し、チャーン数 $ C=2 $ のトポロジカルに非自明な状態であることを確認した。
• 電圧誘起の化学ポテンシャルチューニングにより、量子異常ホール効果の符号が反転し、磁気状態の電場制御を実証した。
• 反転プロセスはヒステリシス的であり、磁気秩序の非揮発的スイッチングであることが、ゲート電圧の繰り返しサイクリングによって確認された。
• 理論的解析により、反転がトポロジカルエッジ状態によって駆動され、系の有効磁気秩序の符号変化を引き起こしていることが示された。
• 再構成可能なキラルエッジ状態が実現可能であり、電気的パターン化が可能であり、低消費電力磁気メモリやマイクロ波デバイスへの応用が期待される。
• 磁気秩序はスピンではなく、軌道角運動量の偏極によって制御されており、2次元材料における電場駆動磁性の新たな道筋を示した。