[논문 리뷰] Observation of magnetic skyrmion crystals in a van der Waals ferromagnet Fe3GeTe2

Tae‐Eon Park, Licong Peng외 17명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 02.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 42인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 스캐닝 투과형 X선 현미경(STXM)과 로렌츠 투과형 전자현미경(LTEM)을 사용하여 반데르발스 페로자성체인 Fe3GeTe2에서 자기 스카이크리오멀 결정(SkX)의 첫 실험적 관측을 보고한다. 스카이크리오멀은 강한 스핀-오비트 결합과 진다로시츠키-모리야 상호작용에 의해 안정화되는 동일한 편향성을 가진 순서 있는 결정 상태를 이루며, 전류 펄스에 의한 동적 유도와 기울인 자기장에 의한 정적 안정화로 모두 유도될 수 있어, 2D 자성체 기반의 토폴로지스핀트로닉스의 기초를 마련한다.

ABSTRACT

Since the discovery of long-range magnetic orders in the two-dimensional (2D) van der Waals (vdW) crystals, significant interest on such 2D magnets has emerged, inspired by their appealing physical properties and integration with other 2D family for unique heterostructures. In known 2D magnets such as Cr2Ge2Te6, CrI3 and Fe3GeTe2, spin-orbit coupling (SOC) stabilizes perpendicular magnetic anisotropy (PMA) down to one or few monolayers. Such a strong SOC could also lift the chiral degeneracy, leading to the formation of topological magnetic configurations such as skyrmions through the Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI). Here, we report the experimental observation of magnetic skyrmions and their ordered crystal structures in a vdW ferromagnet Fe3GeTe2. Using high-resolution scanning transmission X-ray microscopy (STXM) and Lorentz transmission electron microscopy (LTEM) measurements, we demonstrate that a skyrmion crystal (SkX) state in Fe3GeTe2 can be generated by both dynamically using current pulses and statically using canted magnetic fields, where our LTEM measurements suggest that the observed skyrmions in SkX state are homochiral. Our finding opens the door to chiral magnetism and topological spin textures based on 2D vdW magnets, which will pave a new avenue towards 2D magnet-based topological spintronics.

연구 동기 및 목표

• 이차원 반데르발스 페로자성체에서 토폴로지적 자성 구조, 특히 스카이크리오멀의 형성 원리를 조사하기 위해.
• 강한 스핀-오비트 결합과 수직 자기이성질성으로 인해 Fe3GeTe2가 스카이크리오멀 결정(SkX) 상태를 지닐 수 있는지 확인하기 위해.
• 전류 펄스와 기울인 자기장과 같은 외부 자극을 이용하여 Fe3GeTe2에서 스카이크리오멀의 동적 및 정적 생성 메커니즘을 탐색하기 위해.
• 고급 전자현미경 및 X선현미경 기법을 활용하여 관측된 스카이크리오멀의 편향성과 안정성을 특성화하기 위해.
• 2D 반데르발스 자성체가 토폴로지스핀트로닉스 장치 플랫폼으로서의 가능성을 확립하기 위해.

제안 방법

• 고해상도 스캐닝 투과형 X선 현미경(STXM)을 사용하여 자성 구조를 영상화하고, Fe3GeTe2에서 스카이크리오멀 결정 형성 여부를 확인하였다.
• 로렌츠 투과형 전자현미경(LTEM)을 활용하여 개별 스카이크리오멀의 편향성과 토폴로지적 특성을 탐구하였다.
• 전류 펄스를 적용하여 자료 내에서 스카이크리오멀을 동적으로 핵형화하고 조작함으로써, 토폴로지적 스핀 구조의 전기적 제어 가능성을 입증하였다.
• 기울인 자기장을 사용하여 스카이크리오멀 결정 상태를 정적으로 안정화함으로써, 통제된 관측과 특성화를 가능하게 하였다.
• Fe3GeTe2의 내재된 강한 스핀-오비트 결합을 활용하여 수직 자기이성질성과 진다로시츠키-모리야 상호작용(DMI)을 유도하였으며, 이는 편향성 스카이크리오멀을 안정화시킨다.
• STXM와 LTEM 데이터를 융합하여 스카이크리오멀 결정 상태에서의 스카이크리오멀이 동일한 편향성을 가짐을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실험적으로 접근 가능한 조건에서 2D 반데르발스 페로자성체인 Fe3GeTe2에서 자기 스카이크리오멀 결정이 형성될 수 있는가?
• RQ2 스카이크리오멀 결정 상태를 안정화시키는 메커니즘으로서, 전류 펄스에 의한 동적 방법과 기울인 자기장에 의한 정적 방법 중 어떤 것이 효과적인가?
• RQ3 관측된 Fe3GeTe2 내 스카이크리오멀의 편향성은 무엇이며, 로렌츠 현미경을 통해 어떻게 결정되는가?
• RQ4 Fe3GeTe2에서 강한 스핀-오비트 결합과 진다로시츠키-모리야 상호작용이 토폴로지적 자성 구조를 얼마나 안정화시키는가?
• RQ5 Fe3GeTe2의 스카이크리오멀 결정 상태는 향후 2D 스피너트로닉스 장치 응용을 위해 가역적으로 조작될 수 있는가?

주요 결과

• 고해상도 STXM와 LTEM를 사용하여 Fe3GeTe2에서 자기 스카이크리오멀 결정(SkX)의 실험적 관측이 이루어졌으며, 이는 2D 반데르발스 자성체에서 토폴로지적으로 보호된 스핀 구조의 존재를 확인한다.
• 스카이크리오멀 결정 상태는 전류 펄스에 의한 동적 안정화와 기울인 자기장에 의한 정적 안정화로 모두 안정화되었으며, 이는 토폴로지적 스핀 구조의 전기적 및 자기장 유도 제어 가능성을 입증한다.
• LTEM 측정 결과, 스카이크리오멀 결정 상태의 스카이크리오멀은 동일한 편향성을 가지며, 강한 스핀-오비트 결합에 의해 유도된 진다로시츠키-모리야 상호작용으로 인해 선호되는 손가락의 방향성이 존재함을 시사한다.
• 스카이크리오멀의 형성은 Fe3GeTe2 내에서 강한 스핀-오비트 결합, 수직 자기이성질성, 진다로시츠키-모리야 상호작용 간의 상호작용에 기인한다.
• 이 관측 결과는 Fe3GeTe2가 2D 한계까지도 강력한 토폴로지적 자성 질서를 지닐 수 있음을 확인하며, 반데르발스 헤테로구조에서 편향 자성의 탐구 가능성을 열어준다.
• 결과적으로 이 연구는 Fe3GeTe2가 2D 자성체 기반의 토폴로지스핀트로닉스 플랫폼으로서 매우 유망하다는 것을 입증하였으며, 저전력, 고밀도 정보 저장 및 처리 응용 가능성을 지닌다.