[论文解读] A van der Waals Interface Hosting Two Groups of Magnetic Skyrmions

Yingying Wu, Brian San Francisco+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2021

2D Materials and Applications被引用 4

一句话总结

本研究展示了一种由Fe₃GeTe₂（FGT）和Cr₂Ge₂Te₆（CGT）组成的范德华异质结构，该结构通过破坏反演对称性产生的界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI），在每个铁磁层中稳定了两组不同的磁性自旋涡旋。这些自旋涡旋通过磁力显微镜（MFM）直接成像，并在零磁场下保持稳定，为具备双电门控调控与可调扭曲角的多态自旋涡旋存储器件提供了平台。

ABSTRACT

Multiple magnetic skyrmion phases add an additional degree of freedom for skyrmion based ultrahigh-density spin memory devices. Extending the field to two-dimensional van der Waals magnets is a rewarding challenge, where the realizable degree of freedoms (e.g. thickness, twisting angle and electrical gating) and high skyrmion density result in intriguing new properties and enhanced functionality. We report a van der Waals interface, formed by two 2D ferromagnets Cr2Ge2Te6 and Fe3GeTe2 with a Curie temperature of ~65 K and ~205 K, respectively, hosting two groups of magnetic skyrmions. Two sets of topological Hall effect are observed below 60 K when Cr2Ge2Te6 is magnetically ordered. These two groups of skyrmions are directly imaged using magnetic force microscopy. Interestingly, the magnetic skyrmions persist in the heterostructure in the remanent state with zero applied magnetic field. Our results are promising for the realization of skyrmionic devices based on van der Waals heterostructures hosting multiple skyrmion phases.

研究动机与目标

• 实现一种可容纳两组不同磁性自旋涡旋的范德华异质结构，以增强自旋电子学功能。
• 利用二维铁磁异质结构中的界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI），在两层中均实现自旋涡旋的稳定。
• 通过磁力显微镜（MFM）直接成像并证明自旋涡旋在零磁场下的场稳定性。
• 探索双电门控与扭曲角调控在原子级薄的二维异质结构中对自旋涡旋相的控制潜力。
• 建立一种新型平台，用于超高密度、多态的基于自旋涡旋的记忆与计算架构。

提出的方法

• 通过化学气相输运（CVT）方法，精确控制化学计量比，外延生长高质量单晶Fe₃GeTe₂（FGT）和Cr₂Ge₂Te₆（CGT）。
• 利用电子束光刻技术制备霍尔条形器件，实现低温下（低至2 K）的高灵敏度磁阻测量。
• 采用低温磁力显微镜（MFM）在恒高模式下，使用Co-Cr涂层探针，在约100 nm的探针-样品距离下成像自旋涡旋晶格。
• 通过测量拓扑霍尔效应（THE）检测自旋涡旋相，分析霍尔电阻率中的台阶特征以确认自旋涡旋的形成。
• 从THE与MFM数据中提取自旋涡旋尺寸与DMI能量，估算FGT中的DMI为|D| = 0.31 ± 0.13 mJ/m²。
• 系统性地改变温度与外加磁场，绘制自旋涡旋相的稳定性图谱，并观察MFM中的对比度反转现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 由两种二维铁磁体组成的范德华异质结构能否同时容纳两组不同的自旋涡旋相？
• RQ2 在FGT/CGT异质结构中，低于60 K时观察到的两组拓扑霍尔效应的起源是什么？
• RQ3 在该二维异质结构中，磁性自旋涡旋是否能在剩余磁化状态（零外加磁场）下持续存在？
• RQ4 FGT与CGT层中的自旋涡旋尺寸与DMI强度有何差异？
• RQ5 能否通过双电门控与扭曲角工程，独立调控此类异质结构中的自旋涡旋相？

主要发现

• 由于破坏反演对称性产生的界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI），FGT/CGT范德华异质结构中稳定了两组不同的磁性自旋涡旋。
• 在60 K以下观察到的两组霍尔电阻率台阶特征，证实了FGT与CGT两层中均存在自旋涡旋相，而高于60 K时仅观察到一组。
• 磁力显微镜（MFM）直接成像显示，FGT与CGT两侧均存在六边形自旋涡旋晶格，且自旋涡旋尺寸随温度降低而减小。
• 自旋涡旋在零外加磁场下仍能保持稳定，表明其具有拓扑稳定性。
• 估算得到FGT中的DMI能量为|D| = 0.31 ± 0.13 mJ/m²，与其它具有自旋涡旋的vdW异质结构中的值一致。
• 从MFM提取的自旋涡旋尺寸约为THE结果的十倍，表明探测灵敏度与平均效应存在差异。