[論文レビュー] Observation of magnetic skyrmion crystals in a van der Waals ferromagnet Fe3GeTe2

Tae‐Eon Park, Licong Peng+17 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2019

Magnetic properties of thin films参考文献 42被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、高分解能走査型透過X線顕微鏡（STXM）およびローレンツ透過電子顕微鏡（LTEM）を用いて、2次元ファンデルワールスフェロ磁性体Fe3GeTe2における磁気スカイミオン結晶（SkX）の初回実験的観測を報告している。スカイミオンは強いスピン軌道結合とジャローシュキン＝モリヤ相互作用によって安定化された、同螺旋性で秩序化した結晶状態を形成し、電流パルスによる動的および傾けられた磁場による静的両方の方法で誘発可能であり、2次元磁性体を基盤とするトポロジカルスピントロニクスの基盤を確立した。

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.

研究の動機と目的

• 2次元ファンデルワールスフェロ磁性体におけるトポロジカル磁気的テクスチャー、特にスカイミオンの形成を調査すること。
• 強いスピン軌道結合および垂直磁気異方性の影響により、Fe3GeTe2がスカイミオン結晶（SkX）状態を支持するかどうかを特定すること。
• 電流パルスや傾けられた磁場などの外部刺激を用いて、Fe3GeTe2におけるスカイミオンの動的および静的生成メカニズムを調査すること。
• 高精度な電子顕微鏡およびX線顕微鏡技術を用いて、観測されたスカイミオンの螺旋性および安定性を特徴づけること。
• 2次元ファンデルワールス磁性体がトポロジカルスピントロニクス素子のプラットフォームとして実現可能かどうかを確立すること。

提案手法

• 高分解能走査型透過X線顕微鏡（STXM）を用いて磁気的テクスチャーを像として撮像し、Fe3GeTe2におけるスカイミオン結晶の形成を確認した。
• ローレンツ透過電子顕微鏡（LTEM）を用いて、個々のスカイミオンの螺旋性およびトポロジカル特性を調べた。
• 電流パルスを適用して、材料内でのスカイミオンの核生成および操作を動的に実行し、トポロジカルスピンテクスチャーの電気的制御を実証した。
• 傾けられた磁場を用いてスカイミオン結晶状態を静的に安定化させ、制御された観察および特徴づけを可能にした。
• Fe3GeTe2が内蔵する強いスピン軌道結合を活用して、垂直磁気異方性およびジャローシュキン＝モリヤ相互作用（DMI）を誘発し、螺旋性スカイミオンの安定化を実現した。
• STXMおよびLTEMのデータを統合して、秩序化した結晶状態におけるスカイミオンの同螺旋性を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実験的にアクセス可能な条件下で、2次元ファンデルワールスフェロ磁性体Fe3GeTe2に磁気スカイミオン結晶が形成可能か？
• RQ2 スカイミオン結晶状態を安定化させるメカニズムとして、電流パルスによる動的制御と傾けられた磁場による静的制御の両方が有効か？
• RQ3 観測されたFe3GeTe2のスカイミオンの螺旋性は何か？ また、ローレンツ顕微鏡を用いてどのように特定されたか？
• RQ4 Fe3GeTe2に内在する強いスピン軌道結合およびジャローシュキン＝モリヤ相互作用が、トポロジカル磁気的テクスチャーをどれほど安定化させるか？
• RQ5 Fe3GeTe2におけるスカイミオン結晶状態は、2次元スピントロニクス素子への応用を想定して、逆転可能に操作可能か？

主な発見

• 高分解能STXMおよびLTEMを用いた実験により、Fe3GeTe2における磁気スカイミオン結晶（SkX）の観測に成功し、2次元ファンデルワールス磁性体にトポロジカルに保護されたスピンテクスチャーが存在することを確認した。
• スカイミオン結晶状態は、電流パルスによる動的および傾けられた磁場による静的両方の方法で安定化され、トポロジカルスピンテクスチャーの電気的および磁場誘導制御が実証された。
• LTEM測定により、SkX状態におけるスカイミオンが同螺旋性であることが判明し、強いスピン軌道結合に起因するジャローシュキン＝モリヤ相互作用によって、優位なヘリシティ（ねじれの方向）が決定されていることが示された。
• スカイミオンの形成は、Fe3GeTe2における強いスピン軌道結合、垂直磁気異方性、およびジャローシュキン＝モリヤ相互作用の相乗的相互作用に起因するとされる。
• この観測結果により、Fe3GeTe2が2次元極限まで強固なトポロジカル磁気的秩序を支持しており、ファンデルワールスヘテロ構造における螺旋性磁性の探求が可能であることが確認された。
• 本研究の結果により、Fe3GeTe2は2次元磁性体を基盤とするトポロジカルスピントロニクスの有望なプラットフォームであることが確立され、低消費電力かつ高密度な情報記憶および処理技術への応用が期待される。