[論文レビュー] Reversible Non-Volatile Electronic Switching in a Near Room Temperature van der Waals Ferromagnet

Han Wu, Lei Chen+38 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2023

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、Fe5−δGeTe2（ほぼ室温におけるファンデルワールス強磁性体）において、Feサイトの空孔配列を制御する熱アニールおよび急冷によって、二つの明確に異なる結晶相間の逆転可能で非揮発性の電子的スイッチングを実証した。このスイッチングはトポロジカルな相転移を誘発する：無秩序相では対称性保護されたノードラインを有し、秩序相ではフラットバンドと反転対称性の破れを示す。この二つの相の間には、トポロジカルおよびスピントロニクス応用に不可欠な顕著な電子的構造の違いが生じる。

ABSTRACT

The ability to reversibly toggle between two distinct states in a non-volatile method is important for information storage applications. Such devices have been realized for phase-change materials, which utilizes local heating methods to toggle between a crystalline and an amorphous state with distinct electrical properties. To expand such kind of switching between two topologically distinct phases requires non-volatile switching between two crystalline phases with distinct symmetries. Here we report the observation of reversible and non-volatile switching between two stable and closely-related crystal structures with remarkably distinct electronic structures in the near room temperature van der Waals ferromagnet Fe$_{5-δ}$GeTe$_2$. From a combination of characterization techniques we show that the switching is enabled by the ordering and disordering of an Fe site vacancy that results in distinct crystalline symmetries of the two phases that can be controlled by a thermal annealing and quenching method. Furthermore, from symmetry analysis as well as first principle calculations, we provide understanding of the key distinction in the observed electronic structures of the two phases: topological nodal lines compatible with the preserved global inversion symmetry in the site-disordered phase, and flat bands resulting from quantum destructive interference on a bipartite crystaline lattice formed by the presence of the site order as well as the lifting of the topological degeneracy due to the broken inversion symmetry in the site-ordered phase. Our work not only reveals a rich variety of quantum phases emergent in the metallic van der Waals ferromagnets due to the presence of site ordering, but also demonstrates the potential of these highly tunable two-dimensional magnets for memory and spintronics applications.

研究の動機と目的

• 2次元ファンデルワールス強磁性体において、外部場や電流を用いずに非揮発的かつ逆転可能な二つの電子状態間のスイッチングを達成すること。
• Feサイトの空孔配列が、異なる対称性を示す二つの明確に異なる結晶相を安定化させる役割を理解すること。
• 空孔配列の有る相と無しの相の間の電子的およびトポロジカルな相違を調査すること。
• 低消費電力の電子デバイスおよびスピントロニクス素子に適した、外部電場を要しない熱駆動スイッチングメカニズムを実証すること。
• 空孔を介した対称性の破れが、量子材料における特異なトポロジカル相を設計する一般的手法であることを確立すること。

提案手法

• デバイス作製のための高品質単結晶Fe5−δGeTe2のフリクション成長および機械的剥離による合成。
• Feサイトの空孔配列と無秩序化を逆転可能に制御するための熱アニールおよび急冷サイクルの使用。
• 両相の電子バンド構造をマッピングするための角度分解光電子分光法（ARPES）の採用。
• X線回折、透過型電子顕微鏡（TEM）、走査型透過電子顕微鏡（STEM）を用いて構造的および対称性の違いを確認。
• 対称性解析および第一原理計算を用いて、トポロジカルなノードラインおよびフラットバンドの起源を解明。
• 二次高調波生成（SHG）および光学顕微鏡を用いて構造的対称性の破れおよび相転移をプローブ。

Figure 1: Phase-tuning in Fe 5-δ GeTe 2 . a , Crystal structure of Fe 5 GeTe 2 with atomic sites labeled. Fe(1) and Ge are modeled as split sites, marked by half-filled circles to represent 50% occupancy. b-d , Schematic and procedures for tuning global symmetry via sublattice ordering. The two quan

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部場や電流を用いずに、2次元ファンデルワールス強磁性体において、二つの明確に異なる電子状態間の逆転可能で非揮発性のスイッチングを達成できるか？
• RQ2 Feサイトの空孔配列は、Fe5−δGeTe2の結晶対称性および電子構造にどのように影響を与えるか？
• RQ3 無秩序相に見られるトポロジカルなノードラインの起源は何か？また、秩序相に現れるフラットバンドの起源は何か？
• RQ4 対称性の破れおよび量子干渉効果は、二つの相における電子的性質をどのように支配するか？
• RQ5 空孔配列遷移は、量子材料における異なるトポロジカル相に到達する一般的メカニズムとして機能できるか？

主な発見

• 熱アニールおよび急冷によって、Fe5−δGeTe2における二つの安定な結晶相間の逆転可能で非揮発性のスイッチングが達成され、室温より高い温度でスイッチングが発生した。
• 空孔無秩序相は、保持されたグローバルな反転対称性によって保護されるトポロジカルなノードラインを示し、対称性解析およびARPESによって確認された。
• 空孔秩序相では、二部グラフ格子上での量子破壊的干渉によりフラットバンドが発現し、反転対称性の破れに伴いトポロジカル簡約性が解消された。
• 第一原理計算により、二つの相が顕著に異なる電子構造を持つことが確認され、秩序相では電子相関効果が強化されていることが示された。
• スイッチングメカニズムは非揮発的であり、外部電場、応力、圧力を要しないため、エネルギー効率が高く、デバイス統合に適している。
• 空孔配列遷移は、固有のサイト不純物を有する他の量子材料において、トポロジカルおよび相関電子状態を設計する一般的手がかりを提供する。

Figure 2: Topological nodal lines in the slow-cooled site-disordered phase. a , Schematic showing Dirac cones at K and K’ on a 2D projected BZ plane. b , Fermi surface mapping with LV polarized photons. The red line outlines the 2D BZ boundary and the white dashed line marks the electron pocket surr