[論文レビュー] Pressure-induced spin reorientation transition in layered ferromagnetic insulator Cr2Ge2Te6

Zhisheng Lin, Mark Lohmann+10 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2018

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ひとこと要約

本研究では、層状フェロ磁性絶縁体 Cr2Ge2Te6 において、静水圧が1 GPaを超えると、磁気の簡単軸が層に垂直な c 軸から層内に位置する ab 平面に再配列することを示した。この現象により、磁気異方化エネルギーの変化が100%を超える巨大な変化を示した。第一原理計算では、圧力によって短くなった Cr-Te 距離に起因する、off-site スピン軌道結合の増強が原因であると特定した。これは2次元フェロ磁性体においてまれではあるが、実用的かつ一般的なメカニズムである可能性がある。

ABSTRACT

Anisotropic magnetoresistance (AMR) of Cr2Ge2Te6 (CGT), a layered ferromagnetic insulator, is investigated under an applied hydrostatic pressure up to 2 GPa. The easy axis direction of the magnetization is inferred from the AMR saturation feature in the presence and absence of the applied pressure. At zero applied pressure, the easy axis is along the c-direction or perpendicular to the layer. Upon application of a hydrostatic pressure>1 GPa, the uniaxial anisotropy switches to easy-plane anisotropy which drives the equilibrium magnetization from the c-axis to the ab-plane at zero magnetic field, which amounts to a giant magnetic anisotropy energy change (>100%). As the temperature is increased across the Curie temperature, the characteristic AMR effect gradually decreases and disappears. Our first-principles calculations confirm the giant magnetic anisotropy energy change with moderate pressure and assign its origin to the increased off-site spin-orbit interaction of Te atoms due to a shorter Cr-Te distance. Such a pressure-induced spin reorientation transition is very rare in three-dimensional ferromagnets, but it may be common to other layered ferromagnets with similar crystal structures to CGT, and therefore offers a unique way to control magnetic anisotropy.

研究の動機と目的

• 2次元フェロ磁性絶縁体 Cr2Ge2Te6 における磁気異方性の圧力依存性を調査すること。
• 静水圧が層状 Cr2Ge2Te6 における磁気の簡単軸の方向に及ぼす影響を特定すること。
• 第一原理計算を用いて観測されたスピン再配列転移の微視的起源を同定すること。
• 外部圧力による2次元ファンデルワールス磁性体における磁気異方性のチューニング可能性を検討すること。

提案手法

• 磁気異方性をプローブするため、静水圧を最大2 GPaまで印加した Cr2Ge2Te6 における異方的磁気抵抗（AMR）測定を実施した。
• 圧力有無における AMR の飽和挙動から、磁気の簡単軸を特定した。
• 磁気異方化エネルギー（MAE）の計算および圧力下での電子構造の変化を解析するために、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を用いた。
• 異方性スイッチの起源を特定するため、Cr-Te 結合距離の変化およびスピン軌道結合寄与の分析を行った。
• Curie 転移温度を超えると異方性応答が失われるかを追跡するために、温度依存的 AMR 測定を実施した。
• Te 原子の off-site スピン軌道相互作用の寄与を定量的に評価し、巨大な MAE 変化を説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静水圧が Cr2Ge2Te6 における磁気異方性および簡単軸の方向にどのように影響を与えるか？
• RQ2 Cr2Ge2Te6 における圧力誘起磁気異方化エネルギー変化の大きさはどの程度か？
• RQ3 Cr2Ge2Te6 における圧力誘起スピン再配列転移の微視的起源は何か？
• RQ4 磁気異方性は温度とともにどのように変化し、どの時点で消失するか？
• RQ5 Te 原子のスピン軌道結合は、圧力下での観察された異方性変化にどの程度寄与しているか？

主な発見

• 1 GPa を超える静水圧下では、Cr2Ge2Te6 の磁気の簡単軸が c 軸から ab 平面に再配列され、一軸性から容易面性への転移を示した。
• 磁気異方化エネルギーの変化は100%を超えており、圧力下で観測された中で最も大きな変化の一つである。
• Curie 温度を超えると異方的磁気抵抗（AMR）が消失し、長距離磁気秩序の喪失が確認された。
• 第一原理計算により、巨大な MAE 変化が確認され、圧力下で短くなった Cr-Te 距離に起因する Te 原子の off-site スピン軌道結合の増強が原因であると特定した。
• 圧力誘起スピン再配列は、磁気モーメントや交換相互作用の変化ではなく、構造的圧縮に起因するスピン軌道結合の増強によるものである。
• このメカニズムは、類似した結晶構造を有する他の層状フェロ磁性2次元材料に対しても一般化可能である可能性がある。