[논문 리뷰] Pressure-induced spin reorientation transition in layered ferromagnetic insulator Cr2Ge2Te6

Zhisheng Lin, Mark Lohmann외 10명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 13.

2D Materials and Applications참고 문헌 15인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 층상 반자성 절연체 Cr2Ge2Te6에서 압력에 의해 유도되는 스핀 재배향 전이를 보여주며, 1 GPa 이상의 수소압이 스핀의 쉽게 움직이는 축을 층면에 수직인 c축에서 층 내 평면인 ab평면으로 전환시켜 100%를 초월하는 거대한 자기이방도에너지 변화를 유도한다. 밀도함수이론(DFT) 기반의 첫 번째 원리 계산은 이 현상을 압력에 의해 단축된 Cr-Te 거리로 인해 증가된 비근처 스핀-오비탈 결합으로 기인함을 밝혀내며, 이는 2차원 반자성체에서 흔치는 않지만 잠재적으로 일반적인 메커니즘임을 시사한다.

ABSTRACT

Anisotropic magnetoresistance (AMR) of Cr2Ge2Te6 (CGT), a layered ferromagnetic insulator, is investigated under an applied hydrostatic pressure up to 2 GPa. The easy axis direction of the magnetization is inferred from the AMR saturation feature in the presence and absence of the applied pressure. At zero applied pressure, the easy axis is along the c-direction or perpendicular to the layer. Upon application of a hydrostatic pressure>1 GPa, the uniaxial anisotropy switches to easy-plane anisotropy which drives the equilibrium magnetization from the c-axis to the ab-plane at zero magnetic field, which amounts to a giant magnetic anisotropy energy change (>100%). As the temperature is increased across the Curie temperature, the characteristic AMR effect gradually decreases and disappears. Our first-principles calculations confirm the giant magnetic anisotropy energy change with moderate pressure and assign its origin to the increased off-site spin-orbit interaction of Te atoms due to a shorter Cr-Te distance. Such a pressure-induced spin reorientation transition is very rare in three-dimensional ferromagnets, but it may be common to other layered ferromagnets with similar crystal structures to CGT, and therefore offers a unique way to control magnetic anisotropy.

연구 동기 및 목표

• 2D 반자성 절연체 Cr2Ge2Te6에서 자기이방도의 압력 의존성을 조사하기 위해.
• 수소압이 층상 Cr2Ge2Te6에서 자기적으로 쉽게 움직이는 축 방향을 어떻게 변화시키는지 규명하기 위해.
• 첫 번째 원리 계산을 통해 관측된 스핀 재배향 전이의 미시적 기원을 규명하기 위해.
• 외부 압력을 통한 2D 반데발스 자성체에서 자기이방도를 조절할 잠재성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 자기이방도를 탐색하기 위해 수소압을 2 GPa까지 가한 Cr2Ge2Te6에서 이방성 자기저항(AMR) 측정을 수행하였다.
• 압력 유무에 따라 AMR의 포화 행동을 분석하여 자기적으로 쉽게 움직이는 축을 결정하였다.
• 자기이방도에너지(MAE)를 계산하고 압력 하에서 전자구조 변화를 분석하기 위해 밀도함수이론(DFT) 기반의 첫 번째 원리 계산을 사용하였다.
• Cr-Te 결합 길이의 변화와 스핀-오비탈 결합 기여도를 분석하여 이방도 전환의 기원을 규명하였다.
• 자기이방도 반응의 상실을 추적하기 위해 온도 의존적 AMR 측정을 실시하였다.
• Te 원자에서의 비근처 스핀-오비탈 상호작용의 기여도를 정량화하여 거대한 MAE 변화를 설명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수소압은 Cr2Ge2Te6에서 자기이방도와 쉽게 움직이는 축 방향에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 Cr2Ge2Te6에서 압력에 의해 유도된 자기이방도에너지 변화의 크기는 얼마인가?
• RQ3 Cr2Ge2Te6에서 압력에 의해 유도된 스핀 재배향 전이의 미시적 기원은 무엇인가?
• RQ4 자기이방도는 온도에 따라 어떻게 변화하며, 어느 지점에서 사라지는가?
• RQ5 Te 원자의 스핀-오비탈 결합은 압력 하에서 관측된 이방도 변화에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 1 GPa 이상의 수소압에서 Cr2Ge2Te6의 자기적으로 쉽게 움직이는 축은 c축에서 ab평면으로 재배향되며, 이는 이방도가 단축축에서 평면으로 전환됨을 나타낸다.
• 자기이방도에너지 변화는 100%를 초월하며, 압력 하에서 실험적으로 관측된 가장 큰 변화 중 하나이다.
• 자기이방도에너지가 흐려지는 것은 Curie 전도도 이하에서 사라지며, 장거리 자기적 질서의 상실을 확인한다.
• 첫 번째 원리 계산은 거대한 MAE 변화를 확인하고, 이는 Cr-Te 거리가 단축되면서 Te 원자에서의 비근처 스핀-오비탈 결합이 증가함에 기인함을 규명하였다.
• 압력에 의한 스핀 재배향은 자화의 변화나 교환 상호작용의 변화가 아니라, 구조적 압축에 의해 증가된 스핀-오비탈 결합에 기인한다.
• 이 메커니즘은 유사한 결정 구조를 가진 다른 층상 반자성 2D 물질에도 일반화될 수 있다.