[論文レビュー] Tunable Giant Exchange Bias in an Intercalated Transition Metal Dichalcogenide

Spencer Doyle, Caolan John+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2019

Magnetic properties of thin films参考文献 19被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、鉄をインターカレーションした遷移金属ジチalcogen化物 Fe_x NbS_2 において、共存する反強磁性秩序とスピンガラスのねじれを活用することで、3 Tを超えるチューナブルで巨大な交換結合を実証した。この効果は、磁場冷却履歴に起因し、冷却磁場に比例して交換結合が増大し、従来の材料と比較して100倍以上も大きな値を示す。これは、x = 1/3近辺で不純物に起因するスピンガラス状態が生じるためである。

ABSTRACT

The interplay of symmetry and quenched disorder leads to some of the most fundamentally interesting and technologically important properties of correlated materials. It also poses the most vexing of theoretical challenges. Nowhere is this more apparent than in the study of spin glasses. A spin glass is characterized by an ergodic landscape of states - an innumerable number of possibilities that are only weakly distinguished energetically, if at all. We show in the material Fe$_x$NbS$_2$, this landscape of states can be biased by coexisitng antiferromagnetic order. This process leads to a phenomenon of broad technological importance: giant, tunable exchange bias. We observe exchange biases that exceed those of conventional materials by more than two orders of magnitude. This work illustrates a novel route to giant exchange bias by leveraging the interplay of frustration and disorder in exotic materials.

研究の動機と目的

• 鉄をインターカレーションした遷移金属ジチalcogen化物 Fe_x NbS_2 における巨大交換結合の起源を解明すること。
• 本系においてスピンガラス行動と反強磁性秩序が共存し、交換結合にどのように寄与するかを特定すること。
• インターカレーション組成と印加冷却磁場を用いた交換結合のチューナビリティを調査すること。
• 磁気履歴、熱記憶効果、および緩和ダイナミクスが交換結合状態の出現に果たす役割を確立すること。

提案手法

• ヨウ素を輸送剤として用いた化学蒸発輸送法による単結晶 Fe_x NbS_2 の合成。
• 量子設計（Quantum Design）の MPMS-3 システムを用いた磁化測定により、磁場および温度依存のヒステリシスループを測定。
• 冷媒フリー磁気システムに組み込まれた XENSOR AC センサを用いた比熱測定により、相転移を同定。
• エネルギー分散型X線スペクトロスコピー（EDS）を用い、1μm未満の精度でインターカレーション度（x）を決定。
• スピンアイランド法を用いた核磁気共鳴（NMR）分光法により、局所的な磁気秩序と動的挙動を調査。
• 磁場冷却履歴、熱記憶効果、および緩和ダイナミクスの分析により、スピンガラス行動を同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fe_x NbS_2 に巨大交換結合が現れる原因は何か？ これは従来の交換結合系とどのように異なるか？
• RQ2 x = 1/3 付近のインターカレーション組成（x）が、スピンガラスおよび反強磁性秩序の発現にどのように影響するか？
• RQ3 冷却磁場およびインターカレーション度によって、交換結合をどの程度チューニングできるか？
• RQ4 磁気履歴および熱記憶効果が、交換結合状態の安定化に果たす役割は何か？
• RQ5 局所的磁気相関と長距離秩序が、Fe_x NbS_2 においてどのように共存し、これほど大きな交換結合を可能にするか？

主な発見

• Fe_0.30 NbS_2 では、7 T の磁場で冷却した際、1.8 K で交換結合が 3.1 T に達し、従来の材料をはるかに上回る。
• 交換結合は冷却磁場に比例して増大し、7 T まで飽和を示さないため、より大きな値が得られる可能性がある。
• x < 0.33 で、磁場冷却/ゼロ磁場冷却磁化分離、磁化緩和、熱記憶効果によりスピンガラス行動が明確に確認された。
• x = 0.33 では反強磁性秩序が観測され、ネール温度は約 42 K である。x が低い値では、スピンガラスと反強磁性秩序が共存する。
• NMR 測定により、約 30 K で終了する広い磁気転移が観察され、25 K 未満で長距離反強磁性秩序が出現し、局所的秩序と整合する四極子分裂が観測された。
• コーキング場が冷却磁場および温度に依存して増加し、交換結合の存在が確認された。また、連続するヒステリシスループでトレーニング効果が観察された。