[论文解读] Anisotropic Gigahertz Antiferromagnetic Resonances of the Easy-Axis van der Waals Antiferromagnet CrSBr

Thow Min Jerald Cham, Saba Karimeddiny+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2022

2D Materials and Applications参考文献 31被引用 57

一句话总结

本研究通过微波吸收光谱法，测量了范德华反铁磁体CrSBr在5 K下的外加磁场大小和方向依赖的反铁磁共振模式，揭示了其在吉赫兹频率下的反铁磁共振。实验表明，各向异性动力学由层间交换作用（µ₀Hₑ = 0.395(2) T）和三轴磁各向异性（µ₀Hc = 1.30(2) T，µ₀Ha = 0.383(7) T）主导，面内磁场可通过自旋翻转转变实现对模式混杂的调控，并遵循对称性选择规则。

ABSTRACT

We report measurements of antiferromagnetic resonances in the van der Waals easy-axis antiferromagnet CrSBr. The interlayer exchange field and magnetocrystalline anisotropy fields are comparable to laboratory magnetic fields, allowing a rich variety of gigahertz-frequency dynamical modes to be accessed. By mapping the resonance frequencies as a function of the magnitude and angle of applied magnetic field we identify the different regimes of antiferromagnetic dynamics. The spectra show good agreement with a Landau-Lifshitz model for two antiferromagnetically-coupled sublattices, accounting for inter-layer exchange and triaxial magnetic anisotropy. Fits allow us to quantify the parameters governing the magnetic dynamics: at 5 K, the interlayer exchange field is $\mu_0 H_E =$ 0.395(2) T, and the hard and intermediate-axis anisotropy parameters are $\mu_0 H_c =$ 1.30(2) T and $\mu_0 H_a =$ 0.383(7) T. The existence of within-plane anisotropy makes it possible to control the degree of hybridization between the antiferromagnetic resonances using an in-plane magnetic field.

研究动机与目标

• 表征易轴型范德华反铁磁体CrSBr中的吉赫兹频率反铁磁共振模式。
• 利用微波光谱法量化CrSBr中层间交换场和三轴磁各向异性参数。
• 研究外加磁场（特别是面内磁场）如何调控声学与光学反铁磁模式之间的混杂。
• 通过朗道-利夫希茨建模理解磁各向异性和对称性在选择可观测共振模式中的作用。
• 建立定量框架，用于调控二维磁性材料中的反铁磁动力学，以实现自旋电子器件的集成。

提出的方法

• 使用共面波导的微波吸收光谱法，在5 K下探测单晶CrSBr中的反铁磁共振。
• 施加可变角度的外加直流磁场（H∥和H⊥相对于奈尔矢量方向），以绘制共振频率的依赖关系。
• 采用低微波功率（-20 dBm）的两通道矢量网络分析仪，确保响应处于线性区并避免加热效应。
• 利用包含层间交换（−HE ˆm₂）和三轴各向异性（−Hc(ˆm·ĉ)ĉ − Ha(ˆm·â)â）的宏观自旋近似，对双亚晶格体系进行朗道-利夫希茨方程耦合建模。
• 将实测共振谱与朗道-利夫希茨模型进行拟合，以提取层间交换场和各向异性场。
• 利用关于a轴的二重旋转对称性分析，解释在H⊥构型下声学模式的选择性激发。

实验结果

研究问题

• RQ1 CrSBr中的吉赫兹频率反铁磁共振模式如何依赖于外加磁场的大小和方向？
• RQ2 在低温下，CrSBr中层间交换场和三轴磁各向异性场的定量值是多少？
• RQ3 CrSBr中面内各向异性如何使面内磁场实现对模式混杂的调控？
• RQ4 为何仅在特定磁场构型下可观测到某些共振模式（如声学模式），对称性如何决定这种选择性？
• RQ5 实验测得的共振谱与包含三轴各向异性的双亚晶格朗道-利夫希茨模型预测结果在多大程度上一致？

主要发现

• 在5 K时，CrSBr的层间交换场被量化为µ₀Hₑ = 0.395(2) T，证实了弱层间耦合，支持吉赫兹动力学。
• 硬轴各向异性场为µ₀Hc = 1.30(2) T，中间轴各向异性场为µ₀Ha = 0.383(7) T，表明存在强烈的三轴各向异性。
• 共振谱显示在H∥ ≈ ±0.4 T处出现不连续转变，与奈尔矢量旋转90°后饱和的自旋翻转转变一致。
• 在H⊥构型（磁场沿a轴）下，仅观察到声学模式，这是由于关于a轴的二重旋转对称性抑制了光学模式。
• 当外加磁场破坏对称性时（如在H∥构型下），光学模式才被选择性激发，此时两种模式均出现。
• 温度依赖性拟合表明，各向异性和交换参数随温度升高而减小，趋近于奈尔温度（Tₙ ≈ 132 K）。