[论文解读] Intrinsic spin Hall torque in a moire Chern magnet

Charles Tschirhart, Evgeny Redekop+10 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究在莫尔陈绝缘体AB堆叠的MoTe2/WSe2中展示了由本征自旋轨道耦合驱动的自旋霍尔力矩引起的磁畴翻转，其中电流可诱导可逆的磁畴切换。该切换在低电流密度$10^3\,\text{A} \cdot \text{cm}^{-2}$下发生，纳米尺度成像证实磁畴反转与高贝里曲率区域一致，建立了二维范德华异质结中拓扑能带结构与高效自旋力矩之间的直接联系。

ABSTRACT

In spin torque magnetic memories, electrically actuated spin currents are used to switch a magnetic bit. Typically, these require a multilayer geometry including both a free ferromagnetic layer and a second layer providing spin injection. For example, spin may be injected by a nonmagnetic layer exhibiting a large spin Hall effect, a phenomenon known as spin-orbit torque. Here, we demonstrate a spin-orbit torque magnetic bit in a single two-dimensional system with intrinsic magnetism and strong Berry curvature. We study AB-stacked MoTe2/WSe2, which hosts a magnetic Chern insulator at a carrier density of one hole per moire superlattice site. We observe hysteretic switching of the resistivity as a function of applied current. Magnetic imaging using a superconducting quantum interference device reveals that current switches correspond to reversals of individual magnetic domains. The real space pattern of domain reversals aligns precisely with spin accumulation measured near the high-Berry curvature Hubbard band edges. This suggests that intrinsic spin- or valley-Hall torques drive the observed current-driven magnetic switching in both MoTe2/WSe2 and other moire materials. The switching current density of 10^3 Amps per square centimeter is significantly less than reported in other platforms paving the way for efficient control of magnetic order.

研究动机与目标

• 在无外部自旋注入层的情况下，证明单层二维莫尔异质结中的电流诱导磁切换。
• 确定具有本征磁性与强贝里曲率的陈绝缘体中自旋轨道力矩的微观起源。
• 建立高贝里曲率能带边自旋积累与电流驱动磁畴反转之间的直接关联。
• 实现高效、低功耗的磁切换，适用于基于二维范德华异质结的自旋电子学存储应用。
• 通过纳米尺度磁成像与输运测量验证本征自旋霍尔效应在驱动磁反转中的作用。

提出的方法

• 制备了60°扭转的AB堆叠MoTe2双层/WSe2单层异质结，形成莫尔超晶格，其周期$\lambda \approx 4.6\,\text{nm}$。
• 施加上下栅压以调节载流子密度，并在空穴填充因子$\nu = -1$时诱导磁性陈绝缘体相。
• 在$T = 1.6\,\text{K}$下进行两终端输运测量，观察直流电流下的磁滞电阻切换行为。
• 采用基于nanoSQUID的磁成像技术，结合底栅调制，实现亚100 nm分辨率的局域磁化映射。
• 利用电流调制与梯度磁力测量技术，探测交流磁场响应，并从$\delta B$信号重构$m_z$。
• 应用傅里叶变换技术，从$B_z$数据中提取磁化图，假设磁矩完全垂直于平面。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无外部自旋注入层的情况下，本征自旋霍尔力矩能否在二维莫尔陈绝缘体中驱动磁切换？
• RQ2 电流诱导的磁畴反转空间分布是否与电子能带结构中高贝里曲率区域相关？
• RQ3 在该本征二维系统中，实现可重复磁切换所需的最小电流密度是多少？
• RQ4 局域磁响应与陈绝缘体相中Hubbard能带边附近的自旋积累之间有何关联？
• RQ5 纳米尺度磁成像能否解析磁畴反转动力学，并证实自旋轨道耦合在电流驱动切换中的作用？

主要发现

• 在$\nu = -1$的莫尔陈绝缘体相中，直流电流下观察到磁滞电阻切换，表明为电流驱动的磁切换。
• 通过nanoSQUID的纳米尺度磁成像显示，电流诱导的磁畴反转精确对齐于Hubbard能带边附近的高贝里曲率区域。
• 测得的切换电流密度为$10^3\,\text{A} \cdot \text{cm}^{-2}$，显著低于传统自旋轨道力矩系统中的值。
• 反常霍尔电阻量子化于$h/e^2$，证实了在$\nu = -1$时系统中存在量子反常霍尔效应。
• 磁畴反转具有可重复性，并与自旋积累空间相关，支持本征自旋霍尔力矩的作用。
• 通过底栅调制与梯度磁力测量技术，实现了亚100 nm空间分辨率的磁化动力学高分辨率映射。