[论文解读] Magnetism, symmetry and spin transport in van der Waals layered systems

H. Kurebayashi, José H. García+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2021

2D Materials and Applications被引用 9

一句话总结

本文通过利用磁性、自旋-轨道耦合（SOC）和界面对称性之间的相互作用，提出了一种在范德华（vdW）异质结构中工程化自旋输运和磁化翻转的框架。通过分析二维磁性材料中的对称性保护自旋纹理和自旋-轨道力矩（SOT）效率，作者确定了最大化SOT驱动磁化翻转的设计原则，从而在单层极限下实现低能耗、高效率的自旋电子学器件。

ABSTRACT

The discovery of an ever increasing family of atomic layered magnetic materials, together with the already established vast catalogue of strong spin-orbit coupling (SOC) and topological systems, calls for some guiding principles to tailor and optimize novel spin transport and optical properties at their interfaces. Here we focus on the latest developments in both fields that have brought them closer together and make them ripe for future fruitful synergy. After outlining fundamentals on van der Waals (vdW) magnetism and SOC effects, we discuss how their coexistence, manipulation and competition could ultimately establish new ways to engineer robust spin textures and drive the generation and dynamics of spin current and magnetization switching in 2D materials-based vdW heterostructures. Grounding our analysis on existing experimental results and theoretical considerations, we draw a prospective analysis about how intertwined magnetism and spin-orbit torque (SOT) phenomena combine at interfaces with well-defined symmetries, and how this dictates the nature and figures-of-merit of SOT and angular momentum transfer. This will serve as a guiding role in designing future non-volatile memory devices that utilize the unique properties of 2D materials with the spin degree of freedom.

研究动机与目标

• 通过利用界面对称性和自旋-轨道耦合（SOC），建立最大化范德华（vdW）磁性异质结构中自旋-轨道力矩（SOT）效率的设计原则。
• 解决在二维磁性材料中实现高居里或奈尔温度的挑战，以实现室温自旋电子学应用。
• 识别能够实现稳定自旋纹理和高效角动量转移的材料与结构配置，用于非易失性存储器件。
• 通过基于对称性的理论分析和高通量筛选，指导发现具有高SOT效率的新二维材料。
• 探索界面有序性和低对称性晶格结构在实现奇异自旋-轨道哈密顿量和新型自旋输运现象中的作用。

提出的方法

• 使用群论分析二维vdW材料中磁性与SOC的相互作用，以分类可能的自旋纹理和SOT机制。
• 采用包含SOC项的紧束缚模型，描述自旋依赖的电子结构，并预测低对称性体系中的自旋纹理形成。
• 使用Kubo公式（式7）计算大规模模型中的自旋霍尔效应和自旋-轨道力矩响应，考虑无序和非微扰效应。
• 应用空间群分析，预测铁磁和反铁磁vdW体系中的SOT效率和自旋纹理对称性。
• 将理论预测与CrI3、Fe3GeTe2和MnSe2的实验数据相结合，验证界面对称性和层堆叠的作用。
• 利用材料数据库的高通量计算筛选，识别具有高T_C和强SOC的候选二维磁性半导体。

实验结果

研究问题

• RQ1 vdW异质结构中的界面对称性和层有序性如何影响自旋纹理和SOT效率的形成与稳定性？
• RQ2 二维磁性材料中SOT效率的理论上限是多少？如何通过对称性和SOC工程实现最大化？
• RQ3 vdW磁体中低对称性晶格结构如何产生奇异的自旋-轨道哈密顿量并增强自旋输运现象？
• RQ4 基于对称性的分析能否预测二维磁性系统中拓扑自旋输运和非平凡自旋纹理的出现？
• RQ5 近邻效应和界面耦合在vdW异质结构中生成自旋旋错、磁振子模式和纠缠多体态方面起什么作用？

主要发现

• 在二维vdW材料中，磁性与强自旋-轨道耦合的共存使得在单层极限下能够产生稳定自旋纹理和高效的自旋-轨道力矩（SOT）。
• vdW磁体中低对称性晶格结构为奇异自旋-轨道哈密顿量提供了丰富平台，当对称性被合理工程化时，可显著增强SOT效率。
• 界面效应，包括层间有序性和界面对称性，决定了SOT和角动量转移的性质与大小，对磁化翻转具有可测量的影响。
• 基于对称性分析和紧束缚方法的理论建模成功预测了SOT效率和自旋纹理的形成，与CrI3和Fe3GeTe2中的实验观测高度一致。
• 高通量材料数据库筛选识别出有前景的候选材料，如单层Fe3P（预测T_C = 420 K）和CrWI6/CrWGe2Te6，其通过超交换机制在室温以上呈现铁磁序。
• 在反铁磁和拓扑vdW材料（如MnBi2Te4）中，预测到如奈尔自旋-轨道力矩和拓扑保护输运等新现象，为自旋电子学应用开辟了新途径。