[논문 리뷰] Nonvolatile switching of magnetic order by electric fields in an orbital Chern insulator

Hryhoriy Polshyn, Jihang Zhu외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 23.

Topological Materials and Phenomena인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 비틀어진 그래핀 단층 및 이중층을 포함하는 반데르발스 이종구조를 이용해 궤도 Chern 절연체에서 비가역적인 전기장에 의한 자성 상태 제어를 입증한다. 게이트 전압을 통해 화학 포텐셜을 조절함으로써, $ u=3 $에서 양자 이상한 홀 효과의 히스테리시스 반전이 관측되어 전기장만으로도 위상적으로 보호된 자성 상태의 직접적이고 비가역적인 스위칭이 가능함을 입증한다.

ABSTRACT

Magnetism typically arises from a conspiracy between Fermi statistics and repulsive Coulomb interactions that favors ground states with non-zero electron spin. As a result, controlling spin magnetism with electric fields---a longstanding technological goal---can be achieved only indirectly using spin orbit coupling. Here, we experimentally demonstrate direct electric field control of magnetic states in an orbital Chern insulator, a magnetic system in which non-trivial band topology favors long range order of orbital angular momentum but the spins remained disordered. We use van der Waals heterostructures consisting of a graphene monolayer rotationally faulted with respect to a Bernal-stacked bilayer to realize narrow and topologically nontrivial valley-projected moire minibands. At fillings $ u=1$ and $3$ electrons per moire unit cell within these bands, we observe quantized anomalous Hall effects with $R_{xy}\approx h/2e^2$, indicative of spontaneous polarization of the system into a single valley-projected band with Chern number $C=2$. At $ u=3$ we find that the sign of the quantum anomalous Hall effect can be reversed via field-effect control of the chemical potential; moreover, this transition is hysteretic, which we use to demonstrate nonvolatile electric field induced reversal of the magnetic state. A theoretical analysis indicates that the effect arises from the topological edge states, which drive a change in sign of the magnetization and thus a reversal in the favored magnetic state. Voltage control of magnetic states can be used to electrically pattern nonvolatile magnetic domain structures hosting chiral edge states, with applications ranging from reconfigurable microwave circuit elements to ultra-low power magnetic memory.

연구 동기 및 목표

• 스핀 자유도가 유지되지 않는 시스템에서 자성 상태의 직접 전기적 제어를 달성하기 위해.
• 모리 초정렬 격자에서의 위상적 밴드 구조가 전기장에 의한 자성 상태 스위칭을 가능하게 하는지 탐색하기 위해.
• 양자 이상한 홀 효과의 전압 유도 반전을 통해 비가역 메모리 功能을 시연하기 위해.
• 상호작용 전자 시스템에서 위상 에지 상태와 매크로스코픽 자화 반전 사이의 연관성을 설정하기 위해.

제안 방법

• 비틀어진 그래핀 단층을 베르날 스택된 이중층 위에 적층하여 좁고, 밸리 프로젝션된 모리 마이크로밴드를 형성한 반데르발스 이종구조를 제작하였다.
• 전기적 게이팅을 통해 전자 채움을 조절 가능한 모리 초정렬 격자를 설계하여 단위세포당 $ u=1 $ 및 $ u=3 $ 전자 채움을 접근하였다.
• 횡방향 홀 저항 $ R_{xy} $ 를 측정하여 양자 이상한 홀 효과를 탐지하였으며, $ R_{xy} \approx h/2e^2 $ 를 관측하여 찌르스 수 $ C=2 $ 상태임을 확인하였다.
• 게이트 전압을 적용하여 화학 포텐셜을 조절하고 홀 신호의 히스테리시스를 모니터링하여 자성 상태의 비가역적 스위칭을 확인하였다.
• 이론적 모델링을 통해 관측된 자화 반전이 시스템의 효과적 자성 순서에 부호 변화를 유도하는 위상 에지 상태에 의해 유도됨을 연결하였다.
• 필드효과 제어를 통해 회전 방향 에지 상태를 전기적으로 패턴화하고 재구성 가능한 자성 도메인을 시연하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀 자성이 없거나 무질서한 시스템에서 전기장이 직접적으로 자성 상태를 제어할 수 있는가?
• RQ2 위상 모리 시스템에서의 양자 이상한 홀 효과는 게이트 전압에 의해 반전 가능한가, 그리고 히스테리시스를 보이는가?
• RQ3 위상 에지 상태는 전기장에 의한 자화 반전을 매개하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 상호작용 전자 시스템에서 스핀 오비탈 결합에 의존하지 않고도 비가역적 자성 스위칭을 달성할 수 있는가?
• RQ5 채워진 밴드의 찌르스 수가 전기적 조절 하에서 자성 상태의 안정성과 반전 가능성에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• $ u=3 $ 에서 시스템은 $ R_{xy} \approx h/2e^2 $ 를 보이며, 찌르스 수 $ C=2 $ 상태인 위상적으로 비자명한 상태임을 확인한다.
• 전압 유도된 화학 포텐셜 조절이 양자 이상한 홀 효과의 부호를 반전시키며, 전기장에 의한 자성 상태 제어를 입증한다.
• 반전 과정은 히스테리시스를 보이며, 이는 비가역적 자성 순서 스위칭임을 확인하며, 게이트 전압의 반복 사이클링을 통한 검증이 이루어졌다.
• 이론적 분석에 따르면, 반전은 시스템의 자화 부호 변화를 유도하는 위상 에지 상태에 의해 유도된다.
• 시스템은 전기적으로 패턴화할 수 있는 재구성 가능한 회전 방향 에지 상태를 지니며, 저전력 자성 메모리 및 마이크로파 장치에 잠재적 응용 가능성을 제공한다.
• 자기 상태는 스핀이 아닌 궤도 운동량 균형에 의해 제어되며, 2D 물질에서 전기적으로 구동되는 자성의 새로운 길을 여는 것이다.