[論文レビュー] Probing Magnetism in Exfoliated VI3 Layers with Magnetotransport

David Soler-Delgado, Yao, Fenrui+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、場効果トランジスタおよびトンネルデバイスを用いた磁気輸送測定を通じて、剥離したVI3多層膜における磁性を調査した。Curie温度が57 Kに達することを明らかにしたが、これはバルクVI3よりも高い。さらに、磁導電率における非Ising的挙動が観察され、これは単純なIsing型強磁性ではなく、バルクVI3に類似した複雑な磁性状態であることを示唆している。これは、光学的および走査プローブ手法による先行研究の仮定とは異なる。

ABSTRACT

We perform magnetotransport experiments on VI$_3$ multilayers, to investigate the relation between ferromagnetism in bulk and in exfoliated layers. The magnetoconductance measured on field-effect transistors and tunnel barriers shows that the Curie temperature of exfoliated multilayers is $T_C$ = 57 K, larger than in bulk ($T_{ m C,bulk}$ = 50 K). Below $T \approx$ 40 K, we observe an unusual evolution of the tunneling magnetoconductance, analogous to the phenomenology observed in bulk. Comparing the magnetoconductance measured for fields applied in- or out-of-plane corroborates the analogy, allows us to determine that the orientation of the easy-axis in multilayers is similar to that in bulk, and suggests that the in-plane component of the magnetization points in different directions in different layers. Besides establishing that the magnetic state of bulk and multilayers are similar, our experiments illustrate the complementarity of magnetotransport and magneto-optical measurements to probe magnetism in 2D materials.

研究の動機と目的

• 剥離したVI3多層膜とバルクVI3との間で報告された磁性特性の不一致、特に2次元層におけるCurie温度の上昇を解明すること。
• 先行する光学的および走査技術が示唆するように、剥離したVI3多層膜の磁性状態が本当に単純（例：Ising的）であるかどうかを特定すること。
• 磁気輸送測定を用いて、2次元VI3における磁気異方性および磁化の向きを、特に面内および面外磁場応答の比較を通じて調べること。
• 磁気輸送測定と磁気光学手法の相補性について、2次元van der Waals磁性体における磁性を研究するうえで検討すること。

提案手法

• バルク窒化ホウ素（h-BN）で封止された剥離したVI3多層膜（18 nm 厚さ）を用いて、場効果トランジスタおよびトンネル接合の作製。
• VI3層に対して垂直および面内方向に磁場を印加した場効果デバイスにおける磁気導電率の測定。
• トンネル輸送測定を用いて、磁場および温度の関数としてのトンネル磁気導電率（TMC）を測定。
• 面内および面外磁場下でのTMC挙動の比較を通じて、磁性の容易軸の向きを推定。
• ヒステリシス的および符号反転する磁気導電率特徴の分析により、Ising的および非Ising的磁性状態を区別。
• 磁化率および40 K未満での構造的不連続性を含むバルク磁性特性と、輸送データを照合。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 剥離したVI3多層膜の磁性転移は、先行するRMCDおよび走査磁気測定が示唆するようにIsing的挙動を示すか？
• RQ2 剥離したVI3多層膜のCurie温度はバルクVI3と比較してどのようになるか？これは次元性の役割に何を示唆するか？
• RQ3 剥離したVI3多層膜における磁性の容易軸の向きは何か？バルクと比較するとどうなるか？
• RQ4 なぜVI3多層膜のトンネル磁気導電率は、Ising強磁性体の予想とは反して40 K未満で負の値を示し、ヒステリシス的挙動を示すのか？
• RQ5 構造的差異があるにもかかわらず、磁気輸送測定はバルクVI3で観察された複雑な磁性現象をどの程度再現するのか？

主な発見

• 剥離したVI3多層膜のCurie温度は57 Kに測定され、バルクVI3で観察された50 Kよりも高い。
• 40 K未満で、垂直磁場下におけるトンネル磁気導電率が負に転じる—これは単純なIsing強磁性とは整合しないが、バルクVI3と類似した挙動である。
• 面内磁場下ではヒステリシス的磁気導電率が観察され、複雑な磁気緩和ダイナミクスを示している。
• 多層膜における磁性の容易軸は、層面に対して約30°傾いている。これはバルク結晶で観察された30–35°よりもわずかに小さい。
• 多層膜における磁気異方性および磁場依存輸送応答は、バルクVI3と定量的に類似しており、共通の磁性状態を示している。
• 本結果は、磁気輸送測定が磁気光学手法に比べて2次元磁性体における複雑な磁性状態をより感度よく探査できることを示しており、単純な光学的シグナルに隠された非Ising的挙動を明らかにした。