[논문 리뷰] 2D correlations in the van der Waals ferromagnet CrBr$_{3}$ using high frequency electron spin resonance spectroscopy

C. L. Saiz, J. A. Delgado외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 29.

2D Materials and Applications참고 문헌 46인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 고주파수(240 GHz) 전자 스핀 공명(ESR) 분광법을 사용하여 부스러기 크롬브로마이드(CrBr3)의 자성 상관관계를 조사하며, ESR 선폭과 공명장의 온도 및 각도 의존성에 의해 이차원(2D) 행동이 드러남을 보여준다. 데이터는 베레진스키-코스터리츠-타울스(Berezinskii-Kosterlitz-Thouless, BKT) 및 진슈부르크-란도 비판 모델에 잘 맞아떨어지며, 3차원 페로자성체에서 2D 상관관계와 BKT 유사 전이가 존재함을 시사한다. 공명장의 각도 의존성(3cos²θ −1)과 선폭의 각도 의존성(3cos²θ −1)²은 2D 자성 이방성을 확인하며, 이는 외부 자장에 의해 유도된 FM 및 AFM 상의 공존에 기인할 가능성이 있다.

ABSTRACT

Broadening the knowledge and understanding on the magnetic correlations in van der Waals layered magnets is critical in realizing their potential next-generation applications. In this study, we employ high frequency (240 GHz) electron spin resonance (ESR) spectroscopy on plate-like CrBr$_{3}$ to gain insight into the magnetic interactions as a function of temperature (200 - 4 K) and the angle of rotation ${ heta}$. We find that the temperature dependence of the ESR linewidth is well described by the Ginzberg-Landau critical model as well as Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) transition model, indicative of the presence of two-dimensional (2D) correlations. This suggests that the three-dimensional ferromagnet CrBr$_{3}$, which has been described as an Ising or Heisenberg ferromagnet, could present 2D magnetic correlations and BKT-like behavior even in its bulk form; an observation that, to the best of our knowledge, has not been reported in the literature. Furthermore, our findings show that the resonance field follows a $(3cos^2{ heta} - 1)$-like angular dependence, while the linewidth follows a $(3cos^2{ heta} - 1)^2$-like angular dependence. This observed angular dependence of the resonance field and linewidth further confirm an unanticipated 2D magnetic behavior in CrBr$_{3}$. This behavior is likely due to the interaction of the external magnetic field applied during the ESR experiment that allows for the mediation of long-range vortex-like correlations between the spin clusters that may have formed due to magnetic phase separation. This study demonstrates the significance of employing spin sensitive techniques such as ESR to better understand the magnetic correlations in similar van der Waals magnets.

연구 동기 및 목표

• 고주파수 ESR 분광법을 사용하여 부스러기 크롬브로마이드(CrBr3)의 자성 상관관계의 성격을 조사한다.
• 2차원(2D) 자성 행동, 예를 들어 베레진스키-코스터리츠-타울스(Berezinskii-Kosterlitz-Thouless, BKT) 전이가 3차원 반데발스 페로자성체에서 나타날 수 있는지 확인한다.
• 스핀 동역학과 자성 이방성을 조사하기 위해 ESR 선폭과 공명장의 온도 및 각도 의존성을 분석한다.
• CrBr3에서 2D 유사 행동의 기원을 규명하며, 특히 자성 상 분리와 다층 간 상관관계와의 관계를 분석한다.

제안 방법

• 단결정 CrBr3에서 200–4 K 온도 범위에서 고주파수(240 GHz) 전자 스핀 공명(ESR) 분광법을 수행하였다.
• 공명장과 선폭의 각도 의존성을 조사하기 위해 각도(θ = 0°에서 162°까지)를 다양하게 설정하여 ESR 측정을 수행하였다.
• ESR 선폭의 온도 의존성을 진슈부르크-란도 비판 모델과 베레진스키-코스터리츠-타울스(Berezinskii-Kosterlitz-Thouless, BKT) 전이 모델에 맞춰 비판 지수와 2D 성격을 평가하기 위해 피팅하였다.
• 공명장의 각도 의존성은 H_res(θ) = F(3cos²θ −1) + G로 모델링하였으며, 선폭은 ∆H(θ) = A(3cos²θ −1)² + B로 모델링하였으며, 실험적 오프셋을 고려하기 위해 위상 이동을 적용하였다.
• 분석은 주로 2D 자성 행동의 징후를 식별하는 데 집중되었으며, 이는 비입방형 디폴 전자기장 효과와 q ~ 0 스핀 변동을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CrBr3에서 ESR 선폭의 온도 의존성이, BKT 또는 진슈부르크-란도 비판 모델과 같은 2차원(2D) 자성 상관관계를 나타내는가?
• RQ2 CrBr3에서 ESR 공명장과 선폭의 각도 의존성은 무엇이며, 이는 2D 자성 이방성을 반영하는가?
• RQ3 BKT 유사 전이와 같은 2D 자성 행동이 크롬브로마이드(CrBr3)와 같은 부스러기 3차원 페로자성체에서 관찰될 수 있는가?
• RQ4 자성 상 분리(FM 및 AFM 공존)는 CrBr3에서 장거리 빛의 소용돌이형 상관관계를 어떻게 매개하는가?
• RQ5 ESR 실험에서 적용된 외부 자장은 CrBr3에서 2D 상관관계 관찰에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• CrBr3에서 ESR 선폭의 온도 의존성은 베레진스키-코스터리츠-타울스(Berezinskii-Kosterlitz-Thouless, BKT) 전이 모델에 잘 맞으며, 임계 온도 TBKT = 13.74 K 및 R² = 0.9906로 나타나 BKT 유사 행동을 시사한다.
• 진슈부르크-란도 비판 모델은 선폭 데이터에 대해 비판 지수 b = π/2 및 R² = 0.9903로 피팅되어 자성 상관관계의 2차원성을 확인한다.
• 공명장은 (3cos²θ −1)-유사 각도 의존성을 보이며, 2차원 자성 시스템과 일치하며, 이방성 디폴 전자기 상호작용을 시사한다.
• 선폭은 (3cos²θ −1)²-유사 각도 의존성을 보이며, θ = 55° 근처에 얕은 최소값을 가지는 W자형 곡선을 형성하며, 이는 저차원 자성체의 특징이다.
• 공명장과 선폭의 각도 의존성은 위상 이동이 적용된 모델에 잘 맞아떨어지며, 2차원 자성 이방성과 장거리 빛의 소용돌이형 상관관계 존재를 확인한다.
• 관측된 2차원 행동은 외부 자장에 의해 유도된 부스러기 크롬브로마이드(CrBr3) 내에서의 페로자성 및 반자성 상의 공존에 기인한다.