[논문 리뷰] A van der Waals Interface Hosting Two Groups of Magnetic Skyrmions

Yingying Wu, Brian San Francisco외 10명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 15.

2D Materials and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 이종 대칭성이 깨진 상태에서 유도되는 계면 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI)에 의해 두 개의 서로 다른 자기 스카이크미온 군을 포함하는 Fe₃GeTe₂ (FGT) 및 Cr₂Ge₂Te₆ (CGT)의 반데르발스 이종접합을 보여주며, 이 스카이크미온들은 직접적으로 자기력 현미경(MFM)을 통해 영상화되었고, 외부 자장이 없음에도 지속되며, 이중 전기 게이팅 제어와 조절 가능한 기울기 각도를 갖춘 다중 상태 스카이크미온 메모리 장치의 플랫폼을 제공한다.

ABSTRACT

Multiple magnetic skyrmion phases add an additional degree of freedom for skyrmion based ultrahigh-density spin memory devices. Extending the field to two-dimensional van der Waals magnets is a rewarding challenge, where the realizable degree of freedoms (e.g. thickness, twisting angle and electrical gating) and high skyrmion density result in intriguing new properties and enhanced functionality. We report a van der Waals interface, formed by two 2D ferromagnets Cr2Ge2Te6 and Fe3GeTe2 with a Curie temperature of ~65 K and ~205 K, respectively, hosting two groups of magnetic skyrmions. Two sets of topological Hall effect are observed below 60 K when Cr2Ge2Te6 is magnetically ordered. These two groups of skyrmions are directly imaged using magnetic force microscopy. Interestingly, the magnetic skyrmions persist in the heterostructure in the remanent state with zero applied magnetic field. Our results are promising for the realization of skyrmionic devices based on van der Waals heterostructures hosting multiple skyrmion phases.

연구 동기 및 목표

• 더 높은 스핀트로닉스 功能을 위한 두 개의 서로 다른 스카이크미온 군을 포함하는 반데르발스 이종접합을 실현하기 위해.
• 2차원 페로자성 이종접합에서 계면 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI)을 이용하여 두 층 모두에서 스카이크미온을 안정화하기 위해.
• 자기력 현미경(MFM)을 사용하여 외부 자장이 없는 조건에서 스카이크미온의 직접 영상화와 필드 안정성 유지 여부를 입증하기 위해.
• 원자 두께의 2차원 이종접합에서 스카이크미온 상을 제어하기 위해 이중 전기 게이팅과 기울기 각도 조절의 잠재력을 탐색하기 위해.
• 초고밀도 다중 상태 스카이크미온 기반 메모리 및 계산 아키텍처를 위한 새로운 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 정확한 스토이키오메트리 제어를 통해 화학 기체 이동(CVT) 방법을 이용한 고품질 단결정 Fe₃GeTe₂ (FGT) 및 Cr₂Ge₂Te₆ (CGT)의 성장.
• 2 K까지의 낮은 온도에서 고감도 자기전도도 측정을 위한 전자빔 리지오그래피를 이용한 홀바 장치 제작.
• 고정 높이 모드에서 Co-Cr 코팅 터치를 사용한 저온 자기력 현미경(MFM)을 통해 약 100 nm의 터치-샘플 거리에서 스카이크미온 격자를 영상화.
• 스카이크미온 상을 탐지하기 위해 위상적 홀 효과(THE) 측정을 수행하며, 스카이크미온 형성 여부를 나타내는 '굽은' 신호를 홀 전저항에 분석.
• THE 및 MFM 데이터로부터 스카이크미온 크기와 DMI 에너지를 추출하며, FGT에서 DMI는 |D| = 0.31 ± 0.13 mJ/m²로 추정.
• 온도 및 자기장의 체계적 변화를 통해 스카이크미온 상의 안정성과 MFM에서의 대조 반전을 맵핑.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 2차원 페로자성체로 구성된 반데르발스 이종접합에서 두 개의 서로 다른 스카이크미온 상을 동시에 유지할 수 있는가?
• RQ2 FGT/CGT 이종접합에서 60 K 이하에서 관측된 두 집단의 위상적 홀 효과의 기원은 무엇인가?
• RQ3 이 2차원 이종접합에서 스카이크미온은 잔류 상태(외부 자장 없음)에서도 지속되는가?
• RQ4 FGT 층과 CGT 층 간의 스카이크미온 크기와 DMI 강도는 어떻게 다를까?
• RQ5 이러한 이종접합에서 이중 전기 게이팅과 기울기 각도 공학을 통해 스카이크미온 상을 독립적으로 제어할 수 있는가?

주요 결과

• 계면 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI)이 깨진 이종 대칭성으로 인해 FGT/CGT 반데르발스 이종접합에서 두 개의 서로 다른 스카이크미온 군이 안정화된다.
• 60 K 이하에서 관측된 홀 전저항의 두 집단의 '굽은' 신호는 FGT 및 CGT 층 양쪽 모두에서 스카이크미온 상이 존재함을 확인하며, 60 K 이상에서는 한 집단만 관측된다.
• 자기력 현미경(MFM)을 통해 FGT 측과 CGT 측 양쪽에서 정육각형 스카이크미온 격자가 직접 영상화되었으며, 온도가 낮아질수록 스카이크미온 크기가 감소한다.
• 외부 자장이 없음에도 스카이크미온이 잔류 상태에서 지속되며, 이는 위상적 안정성을 시사한다.
• FGT에서의 DMI 에너지는 |D| = 0.31 ± 0.13 mJ/m²로 추정되었으며, 다른 반데르발스 이종접합에서 스카이크미온을 유지하는 데서 관측된 값과 일치한다.
• MFM에서 추출한 스카이크미온 크기는 THE에서 추출한 값보다 약 10배 정도 크며, 이는 탐측 감도 및 평균화 효과의 차이를 나타낸다.