[논문 리뷰] Direct observations of chiral spin textures in van der Waals magnet Fe3GeTe2 nanolayers

Hong Wang, Cuixiang Wang외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 19.

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한 줄 요약

이 연구는 초박공 Fe3GeTe2 나노플레이크에서 자기전자현미경 및 최초 원리 계산을 통해 나를 유형의 스카이머크를 포함한 양성자 스핀 구조의 직접 실험적 증거를 제공한다. 연구자들은 스핀의 비대칭성의 기원으로 유한한 표면상의 지야로시츠키-모리야 상호작용을 규명하였으며, 이는 초저온에서 이황화물 기반 2차원 반데르발스 자성체에서 비대칭 자성을 연구할 수 있는 플랫폼으로 Fe3GeTe2를 확립한다.

ABSTRACT

In two-dimensional van der Waals (vdW) magnets, the presence of magnetic orders, strong spin-orbit coupling and asymmetry at interfaces is the key ingredient for hosting chiral spin textures. However, experimental evidences for chiral magnetism in vdW magnets remain elusive. Here we demonstrate unambiguously the formation of chiral spin textures in thin Fe3GeTe2 nanoflakes using advanced magnetic electron microscopy and first-principles calculations. Specifically, electron holography analyses reveal the spin configurations of Néel-type, zero-field-stabilized skyrmions in 20-nm-thick Fe3GeTe2 nanoflakes at cryogenic temperature. In situ Lorentz transmission electron microscopy measurements further provide detailed magnetic phase diagrams of chiral spin textures including spirals and skyrmions in Fe3GeTe2 as a function of temperature, applied magnetic field and specimen thickness. First-principles calculations unveil a finite interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction in the Te/Fe3Ge/Te slabs that induces the spin chirality in Fe3GeTe2. Our discovery of spin chirality in the prototypical vdW Fe3GeTe2 opens up new opportunities for studying chiral magnetism in two-dimensional vdW magnets from both fundamental and applied perspectives.

연구 동기 및 목표

• 2차원 반데르발스 자성체에서 비대칭 스핀 구조의 명확한 실험적 증거를 확립하기 위해.
• Fe3GeTe2에서 비대칭 자성의 안정화에 기여하는 표면 비대칭성과 스핀-오비탈 결합의 역할을 조사하기 위해.
• 온도, 외부 자장, 두께에 따른 비대칭 스핀 구조의 자기상 다이어그램을 매핑하기 위해.
• 관측된 스핀 구조를 표면상의 지야로시츠키-모리야 상호작용과 같은 미세 구조 메커니즘과 연결하기 위해.
• 기초적 및 장치 기반 관점에서 2차원 반데르발스 물질에서의 비대칭 자성을 탐색하기 위한 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 냉각 온도에서 20nm 두께의 Fe3GeTe2 나노플레이크의 스핀 구조를 직접 이미징하기 위해 전자 홀로그래피가 사용되었다.
• 실시간으로 자장과 온도 변화에 따라 자성 상전이를 관찰하기 위해 현장에서의 로렌츠 투과형 전자현미경이 사용되었다.
• 표면상 지야로시츠키-모리야 상호작용(DMI)의 존재와 크기를 결정하기 위해 Te/Fe3Ge/Te 슬래브에서 최초 원리 계산이 수행되었다.
• 실험적 이미징과 백터-아비-아이노 시뮬레이션의 조합을 통해 나를 유형의 스카이머크와 비대칭 스핀 나선이 식별되었다.
• 온도, 자장, 시료 두께를 체계적으로 변화시켜 자기상 다이어그램을 구축하였다.
• 이론적 모델링은 Te/Fe3Ge 표면에서의 유한한 DMI가 스핀 비대칭성의 원인임을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Fe3GeTe2와 같은 2차원 반데르발스 자성체에서 스카이머크를 포함한 비대칭 스핀 구조를 직접 관찰할 수 있는가?
• RQ2 특히 표면상 지야로시츠키-모리야 상호작용과 관련하여 Fe3GeTe2에서 스핀 비대칭성의 미세 구조 기원은 무엇인가?
• RQ3 온도, 외부 자장, 시료 두께는 Fe3GeTe2에서 비대칭 스핀 구조의 안정성과 상전이에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 최초 원리 계산이 Fe3GeTe2 나노플레이크에서 실험적으로 관측된 자기 구조를 어느 정도 재현하는가?
• RQ5 초박공 Fe3GeTe2에서 자장이 없는 조건에서 스카이머크를 관찰할 수 있으며, 그 존재를 위한 조건는 무엇인가?

주요 결과

• 냉각 온도에서 20nm 두께의 Fe3GeTe2 나노플레이크에서 전자 홀로그래피를 통해 나를 유형의 스카이머크를 직접 시각화하여 외부 자기장이 없이도 그 존재를 확인하였다.
• 현장에서의 로렌츠 투과형 전자현미경을 통해 다양한 온도, 외부 자장, 두께 범위에서 비대칭 스핀 나선과 스카이머크의 형성이 관측되어 그 안정성 상 전이 다이어그램이 매핑되었다.
• 최초 원리 계산을 통해 Te/Fe3Ge/Te 슬래브에서 유한한 표면상 지야로시츠키-모리야 상호작용이 존재함을 입증하였으며, 이는 스핀 비대칭성의 핵심 메커니즘이다.
• 관측된 스핀 구조는 Fe3GeTe2의 표면에서의 내재된 자기적 질서, 강한 스핀-오비탈 결합, 그리고 구조적 비대칭성의 조합에 의해 안정화된다.
• 이 연구는 Fe3GeTe2가 2차원 반데르발스 자성체에서 비대칭 자성을 유지할 수 있는 견고한 플랫폼임을 입증하였으며, 스핀트로닉스 응용 가능성이 있다.
• 결과적으로 이 연구는 반데르발스 자성체에서 비대칭 스핀 구조에 대한 첫 번째 직접 실험적 증거를 제공하였으며, 2차원 자성체 분야에서 오랫동안 남아있던 질문을 해결하였다.