[논문 리뷰] Very large Dzyaloshinskii-Moriya interaction in two-dimensional Janus manganese dichalcogenides and its application to realize field-free skyrmions

Jinghua Liang, Mairbek Chshiev외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 03.

Multiferroics and related materials인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 비대칭 셀레늄 원소(X ≠ Y)로 인해 대칭성이 깨진 단층 구조인 제누스 MnXY의 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI)이 매우 큰 값을 보임을 보여주며, 최신의 FM/HM 이종구조와 유사한 수준임을 밝힌다. 밀도함수이론(DFT) 기반의 첫 번째 원리 계산과 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 MnSeTe와 MnSTe는 낮은 온도에서 외부 자기장이 없는 조건에서도 안정된 필드프리 스카이머션을 형성할 수 있음을 확인하였다. 이는 외부 자기장 없이도 입자성 자성 구조를 구현할 수 있음을 의미한다.

ABSTRACT

The Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI), which only exists in noncentrosymmetric systems, is responsible for the formation of exotic chiral magnetic states. The absence of DMI in most two-dimensional (2D) magnetic materials is due to their intrinsic inversion symmetry. Here, using first-principles calculations, we demonstrate that significant DMI can be obtained in a series of Janus monolayers of manganese dichalcogenides MnXY in which the difference between X and Y on the opposites sides of Mn breaks the inversion symmetry. In particular, the DMI amplitudes of MnSeTe and MnSTe are comparable to those of state-of-the-art ferromagnet/heavy metal (FM/HM) heterostructures. In addition, by performing Monte Carlo simulations, we find that at low temperatures the ground states of the MnSeTe and MnSTe monolayers can transform from ferromagnetic states with worm-like magnetic domains into the skyrmion states by applying external magnetic field. At increasing temperature, the skyrmion states starts fluctuating above 50 K before an evolution to a completely disordered structure at higher temperature. The present results pave the way for new device concepts utilizing chiral magnetic structures in specially designed 2D ferromagnetic materials.

연구 동기 및 목표

• 비대칭성으로 인해 대칭성이 깨진 2차원(2D) 자성 물질에서 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI)의 기원과 크기를 탐구하는 것.
• 비대칭적인 X 및 Y 셀레늄 원소를 가진 2D 제누스 망간 디chalcoogen화물(MnXY)이 큰 DMI를 갖는 데 유망한 후보로 식별하는 것.
• 외부 자기장과 다양한 온도 조건에서 이러한 물질의 스카이머션 상태의 안정성과 형성 메커니즘을 조사하는 것.
• 입자성 자성 구조를 기반으로 한 저전력 스핀트로닉스 소자 응용 가능성을 평가하는 것.

제안 방법

• MnXY 제누스 단층에서 전자 구조와 DMI 강도를 계산하기 위해 첫 번째 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행한다.
• 스핀-오비트 결합 효과와 대칭성 붕괴 분석을 통해 DMI 진폭을 정량화한다.
• 자기적 순서의 열적 안정성과 상전이를 모델링하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 적용한다.
• 외부 자기장을 적용하여 스카이머션 형성을 유도하고, 온도에 따른 행동을 연구한다.
• 기준 비교를 위해 MnSeTe와 MnSTe의 DMI 값을 기존의 FM/HM 이종구조와 비교한다.
• 온도와 자기장의 함수로 고체 상태의 진화가 페로자성 웜-유사 도메인에서 스카이머션 상태로 전이되는 과정을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비대칭성으로 인한 대칭성 붕괴로 인해 2차원 제누스 MnXY 단층에서 뚜렷한 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI)을 달성할 수 있는가?
• RQ2 MnSeTe와 MnSTe에서의 DMI 크기는 최신의 FM/HM 이종구조와 비교해 얼마나 되는가?
• RQ3 어떤 조건에서 이러한 2차원 물질에서 외부 자기장 없이도 스카이머션 상태를 안정화시킬 수 있는가?
• RQ4 온도가 MnSeTe와 MnSTe 단층에서 스카이머션 상태의 안정성과 동역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 시스템에서 자성 질서의 열적 진화는 정렬된 스카이머션 상태에서 무질서 상태로의 전이 과정을 어떻게 나타내는가?

주요 결과

• MnSeTe와 MnSTe 단층에서의 DMI 진폭은 최고 성능을 내는 FM/HM 이종구조와 유사한 수준에 도달하여 강한 입자성 상호작용을 나타낸다.
• 낮은 온도에서 외부 자기장을 적용하면 MnSeTe와 MnSTe에서 페로자성 상태의 웜-유사 도메인에서 스카이머션 상태로의 전이가 유도된다.
• 50 K 이상의 온도에서 스카이머션 상태가 불안정해지며, 이는 이러한 입자성 구조의 열적 안정성 한계를 시사한다.
• 더 높은 온도에서는 시스템이 완전히 무질서한 자성 상태로 진화하여 장거리 자성 질서가 붕괴됨을 나타낸다.
• 강한 DMI와 고유의 자성 이방성의 조합은 특정 조건에서 외부 자기장 없이도 스카이머션 형성을 가능하게 하여, 영자기장 스핀트로닉스 응용 가능성을 시사한다.
• 결과적으로 MnXY 제누스 단층은 2차원 반데발스 물질에서 입자성 자성 구조를 실현하는 데 있어 매우 유망한 후보로 입증되었다.