[論文レビュー] Spin-resolved imaging of atomic-scale helimagnetism in monolayer NiI2

Mao-Peng Miao, Nanshu Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2023

2D Materials and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、グラファイト/SiC(0001)上に成長したモノレイヤーNiI2におけるヘリマグネチズムの原子スケールスピン分解像像をスピン極性走査トンネル顕微鏡（SP-STM）を用いて得た。その結果、Qベクトルが(0.2203, 0, 0)であるねじれスピンスパイラルが観測され、これはバルク値とは明確に異なっていた。観測されたスピンスパイラルは、格子と非整合であるため、磁場の作用で集団的スイッチングを示し、内在的な非共線スピン秩序を確認した。本研究は、タイプ-II多フェロエリックおよび2次元スピントロニクス応用への道筋を示した。

ABSTRACT

Identifying intrinsic noncollinear magnetic order in monolayer van der Waals (vdW) crystals is highly desirable for understanding the delicate magnetic interactions at reduced spatial constraints and miniaturized spintronic applications, but remains elusive in experiments. Here, we achieved spin-resolved imaging of helimagnetism at atomic scale in monolayer NiI2 crystals, that were grown on graphene-covered SiC(0001) substrate, using spin-polarized scanning tunneling microscopy. Our experiments identify the existence of a spin spiral state with canted plane in monolayer NiI2. The spin modulation Q vector of the spin spiral is determined as (0.2203, 0, 0), which is different from its bulk value or its in-plane projection, but agrees well with our first principles calculations. The spin spiral surprisingly indicates collective spin switching behavior under magnetic field, whose origin is ascribed to the incommensurability between the spin spiral and the crystal lattice. Our work unambiguously identifies the helimagnetic state in monolayer NiI2, paving the way for illuminating its expected type-II multiferroic order and developing spintronic devices based on vdW magnets.

研究の動機と目的

• 理論的予測はされているが、実験的に解明されていない、モノレイヤーファンデルワールス磁性体における内在的非共線磁性秩序の同定。
• 特にスピンスパイラル特性とスピンテクスチャを含めた、モノレイヤーNiI2の磁性基底状態を原子スケールで解明すること。
• 原子的に薄い磁性系における外部磁場下での磁性応答の起源を解明すること。
• 2次元磁性材料における観測されたスピンテクスチャと第一原理計算の直接的な実験的関連を確立すること。
• モノレイヤーNiI2がタイプ-II多フェロエリックおよびスピントロニクスデバイスのプラットフォームとして有効であるかを検討すること。

提案手法

• モノレイヤーNiI2をグラファイト/SiC(0001)上に成長させ、スピン極性走査トンネル顕微鏡（SP-STM）を用いて原子解像度でのスピンテクスチャを像像化した。
• スピン極性トンネル電流の測定により磁性構造をプローブし、原子格子全体におけるスピンの向きの直接的可視化を実現した。
• スピン分解像像データのフーリエ解析からスピンスパイラル波数ベクトルQを抽出し、Q = (0.2203, 0, 0)が得られた。
• 観測されたスピンスパイラルおよびその磁性異方性の妥当性を検証するために、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を実施した。
• 磁場依存性SP-STM測定を実施し、スピンスパイラルが外部磁場に与える応答を調査した。
• スピンスパイラルと基盤格子との非整合性を分析し、観測された集団的スイッチング行動の説明を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノレイヤーNiI2の真の原子スケールでの磁性基底状態は何か？非共線スピン秩序を示すか？
• RQ2 モノレイヤーNiI2におけるスピンスパイラル波数ベクトルは、バルク状態やその面内投影と比べてどのように異なるか？
• RQ3 モノレイヤーNiI2で観測された磁場下での集団的スピンスイッチング行動の原因は何か？
• RQ4 スピンスパイラルと格子との非整合性が、磁性応答に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 モノレイヤーNiI2で観測されたスピンスパイラル状態は、タイプ-II多フェロエリック秩序を支持できるか？

主な発見

• モノレイヤーNiI2におけるスピンスパイラルの波数ベクトルQ = (0.2203, 0, 0)は、バルク値およびその面内投影と明確に異なり、強い2次元的磁性閉じ込めを示している。
• 観測されたスピンスパイラル状態は、内在的かつ安定的であることが確認され、実験的SP-STMデータと第一原理DFT計算の間で良好な一致が得られた。
• 外部磁場を印加した場合、スピンスパイラルは集団的スイッチングを示し、これはスピンスパイラルと格子との非整合性に起因するとされた。
• スピンテクスチャは面内でねじれていることから、モノレイヤーにおける非共線ヘリマグネティック基底状態の存在が確認された。
• 本研究は、2次元ファンデルワールス磁性体における内在的ヘリマグネティズムを明確に実験的に裏付け、多フェロエリックおよびスピントロニクス応用への可能性を支持した。
• 本研究は、SP-STMが2次元材料における複雑な磁性テクスチャを原子スケールで探査する強力なツールであることを確立した。