[论文解读] Direct observations of chiral spin textures in van der Waals magnet Fe3GeTe2 nanolayers

Hong Wang, Cuixiang Wang+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2019

2D Materials and Applications参考文献 7被引用 10

一句话总结

本研究通过磁电子显微术和从头算计算，首次在超薄 Fe3GeTe2 纳米片中直接实验观测到手性自旋结构，包括 Néel 型自旋旋翼。研究人员确定界面 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用为有限值，是自旋手性的起源，确立了 Fe3GeTe2 作为在低温下研究二维范德华磁体中手性磁性的平台。

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.

研究动机与目标

• 为二维范德华磁体中手性自旋结构的存在提供明确的实验证据。
• 研究界面不对称性和自旋-轨道耦合在稳定 Fe3GeTe2 中手性磁性中的作用。
• 绘制随温度、外磁场和厚度变化的自旋纹理磁相图。
• 将观测到的自旋纹理与微观机制（如界面 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用）联系起来。
• 为从基础研究和器件应用两个角度探索二维范德华材料中的手性磁性奠定基础。

提出的方法

• 采用电子全息术在低温下直接成像 20 纳米厚 Fe3GeTe2 纳米片中的自旋构型。
• 原位洛伦兹透射电子显微术实现了在不同外磁场和温度下对磁相变的实时观测。
• 对 Te/Fe3Ge/Te 超晶格进行从头算计算，以确定界面 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用（DMI）的存在及其大小。
• 实验成像与第一性原理模拟相结合，成功识别出 Néel 型自旋旋翼和手性自旋螺旋。
• 通过系统调节温度、外磁场和样品厚度，构建了磁相图。
• 理论建模证实，Te/Fe3Ge 界面处存在的有限 DMI 是导致自旋手性的关键原因。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在像 Fe3GeTe2 这样的二维范德华磁体中直接观测到如自旋旋翼等手性自旋结构？
• RQ2 Fe3GeTe2 中自旋手性的微观起源是什么，特别是与界面 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用的关系如何？
• RQ3 温度、外加磁场和样品厚度如何影响 Fe3GeTe2 中手性自旋结构的稳定性和相变行为？
• RQ4 第一性原理计算在多大程度上能再现 Fe3GeTe2 纳米片中实验观测到的磁构型？
• RQ5 是否能在超薄 Fe3GeTe2 中观测到零磁场稳定的自旋旋翼，其存在需要何种条件？

主要发现

• 电子全息术在低温下直接观测到 20 纳米厚 Fe3GeTe2 纳米片中的 Néel 型自旋旋翼，证实其在无外磁场下存在。
• 原位洛伦兹透射电子显微术揭示了在不同温度、外磁场和厚度下，手性自旋螺旋和自旋旋翼的形成，映射出其相稳定性。
• 第一性原理计算表明，Te/Fe3Ge/Te 超晶格中存在有限的界面 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用，这是驱动自旋手性的关键机制。
• 观测到的自旋纹理由 Fe3GeTe2 中本征磁序、强自旋-轨道耦合以及界面处的结构不对称性共同稳定。
• 本研究确立了 Fe3GeTe2 作为二维范德华材料中实现手性磁性的稳健平台，具有潜在的自旋电子学应用价值。
• 研究结果首次提供了范德华磁体中手性自旋结构的直接实验证据，解决了二维磁学领域长期存在的一个关键科学问题。