[논문 리뷰] Anisotropic Gigahertz Antiferromagnetic Resonances of the Easy-Axis van der Waals Antiferromagnet CrSBr

Thow Min Jerald Cham, Saba Karimeddiny외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 02.

2D Materials and Applications참고 문헌 31인용 수 57

한 줄 요약

이 연구는 5 K에서 단일 결정 CrSBr에서 마이크로파 흡수 스펙트로스코피를 사용하여 외부 자기장 크기와 각도에 따라 공명 모드를 맵핑함으로써, 반도체 박막 반자성체 CrSBr에서 헤르츠 수준의 반자기 공명을 보고한다. 실험 결과는 상하좌우 비대칭성에 의해 지배되는 역학을 보이며, 이는 상하좌우 간섭 상호작용(µ₀Hₑ = 0.395(2) T)과 삼축 자기이방성도(µ₀Hc = 1.30(2) T, µ₀Ha = 0.383(7) T)에 기인한다. 면내 자기장은 스핀-폴 전이와 대칭 선택 규칙을 통해 모드 혼성화를 제어할 수 있다.

ABSTRACT

We report measurements of antiferromagnetic resonances in the van der Waals easy-axis antiferromagnet CrSBr. The interlayer exchange field and magnetocrystalline anisotropy fields are comparable to laboratory magnetic fields, allowing a rich variety of gigahertz-frequency dynamical modes to be accessed. By mapping the resonance frequencies as a function of the magnitude and angle of applied magnetic field we identify the different regimes of antiferromagnetic dynamics. The spectra show good agreement with a Landau-Lifshitz model for two antiferromagnetically-coupled sublattices, accounting for inter-layer exchange and triaxial magnetic anisotropy. Fits allow us to quantify the parameters governing the magnetic dynamics: at 5 K, the interlayer exchange field is $\mu_0 H_E =$ 0.395(2) T, and the hard and intermediate-axis anisotropy parameters are $\mu_0 H_c =$ 1.30(2) T and $\mu_0 H_a =$ 0.383(7) T. The existence of within-plane anisotropy makes it possible to control the degree of hybridization between the antiferromagnetic resonances using an in-plane magnetic field.

연구 동기 및 목표

• 간편축 반도체 박막 반자기체 CrSBr에서 헤르츠 수준의 반자기 공명 모드를 특성화하기 위해.
• 마이크로파 스펙트로스코피를 사용하여 CrSBr에서의 상하좌우 간섭 상호작용 필드와 삼축 자기이방성도 매개변수를 정량화하기 위해.
• 특히 면내 자기장이 음향 및 광학 반자기 모드 간 혼성화를 어떻게 제어하는지 조사하기 위해.
• 랜드-리프시츠 모델링을 통해 자기이방성도와 대칭성이 관측 가능한 공명 모드를 선택하는 데서 수행하는 역할을 이해하기 위해.
• 스핀트로닉스 장치 통합을 위한 2D 자기성 물질에서 반자기 동역학을 조절하기 위한 정량적 프레임워크를 수립하기 위해.

제안 방법

• 5 K에서 단일 결정 CrSBr에서 반자기 공명을 탐지하기 위해 공면파도를 사용한 마이크로파 흡수 스펙트로스코피를 수행하였다.
• Néel 벡터에 대해 수직 및 평행인 외부 직류 자기장의 각도를 변화시켜 공명 주파수 의존도를 맵핑하였다.
• 저출력 마이크로파(-20 dBm)를 사용한 이중 포트 벡터 네트워크 분석기를 적용하여 선형 반응를 보장하고 가열 효과를 방지하였다.
• 상하좌우 간섭 상호작용(−HE ˆm₂)과 삼축 이방성도(−Hc(ˆm·ĉ)ĉ − Ha(ˆm·â)â)를 포함한 매크로스핀 근사에 기반한 이중 자성체계를 사용한 랜드-리프시츠 방정식의 연립 해석을 수행하였다.
• 측정된 공명 스펙트럼을 랜드-리프시츠 모델에 맞추어 상하좌우 간섭 상호작용 필드와 이방성도 필드를 추출하였다.
• a축을 중심으로 2중 회전 대칭성을 사용한 대칭성 분석을 통해 H⊥ 설정에서 음향 모드의 선택적 자극을 설명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CrSBr에서의 헤르츠 수준 반자기 공명 모드는 적용된 자기장의 크기와 방향에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 저온에서 CrSBr의 상하좌우 간섭 상호작용 필드와 삼축 자기이방성도 필드의 정량적 값은 무엇인가?
• RQ3 CrSBr에서의 면내 이방성은 면내 자기장에 의해 모드 혼성화를 어떻게 제어할 수 있는가?
• RQ4 왜 특정 공명 모드(예: 음향 모드)만 특정 자기장 설정에서 관측되는가? 대칭성이 이 선택에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 실험적 공명 스펙트럼이 삼축 이방성도를 포함한 이중 자성체 랜드-리프시츠 모델의 예측과 어느 정도 일치하는가?

주요 결과

• 5 K에서 CrSBr의 상하좌우 간섭 상호작용 필드는 µ₀Hₑ = 0.395(2) T로 정량화되었으며, 이는 헤르츠 수준의 동역학을 가능하게 하는 약한 상하좌우 간섭을 확인한다.
• 경축 이방성도 필드는 µ₀Hc = 1.30(2) T이며, 중간축 이방성도 필드는 µ₀Ha = 0.383(7) T로 측정되어 강한 삼축 이방성도를 나타낸다.
• 공명 스펙트럼은 H∥ ≈ ±0.4 T에서 불연속 전이를 보이며, 이는 Néel 벡터가 90°로 재정렬된 후 포화되는 스핀-폴 전이와 일치한다.
• H⊥ 설정(장치가 a축을 따라)에서는 2중 회전 대칭성으로 인해 음향 모드만 관측된다. 이로 인해 광학 모드가 억제된다.
• 광학 모드는 외부 자기장이 대칭성을 깨는 경우에만 선택적으로 자극되며, 이는 H∥ 설정에서 두 모드 모두 나타남을 의미한다.
• 온도 의존적 피팅 결과, 이방성도 및 간섭 상호작용 매개변수는 온도 상승에 따라 감소하며, 이는 Néel 전이 온도(Tₙ ≈ 132 K)에 접근함을 나타낸다.