[论文解读] Metamagnetic Transitions in Few-Layer CrOCl Controlled by Magnetic Anisotropy Flipping

Minjie Zhang, Qifeng Hu+11 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2021

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 26被引用 4

一句话总结

本研究展示了在磁各向异性翻转驱动下，少层CrOCl中出现的场致元磁性转变，其中平面内易轴在垂直磁场作用下重新取向为面外方向。该转变通过隧道电流的急剧上升得到信号指示，并导致形成独特的五单位晶胞周期性铁磁超结构，揭示了一种通过各向异性工程调控二维磁性的新机制。

ABSTRACT

The pivotal role of magnetic anisotropy in stabilising two-dimensional (2D) magnetism has been widely accepted, however, direct correlation between magnetic anisotropy and long-range magnetic ordering in the 2D limit is yet to be explored. Here, using angle- and temperature-dependent tunnelling magnetoresistance, we report unprecedented metamagnetic phase transitions in atomically-thin CrOCl, triggered by magnetic easy-axis flipping instead of the conventional spin flop mechanism. Few-layer CrOCl tunnelling devices of various thicknesses consistently show an in-plane antiferromagnetic (AFM) ground state with the easy axis aligned along the Cr-O-Cr direction (b-axis). Strikingly, with the presence of a magnetic field perpendicular to the easy-axis (H||c), magnetization of CrOCl does not follow the prevalent spin rotation and saturation pattern, but rather exhibits an easy-axis flipping from the in-plane to out-of-plane directions. Such magnetic anisotropy controlled metamagnetic phase transitions are manifested by a drastic upturn in tun- nelling current, which shows anomalous shifts towards higher H when temperature increases. By 2D mapping of tunnelling currents as a function of both temperature and H, we determine a unique ferrimagnetic state with a superstructure periodicity of five unit cells after the field-induced metam- agnetic transitions. The feasibility to control 2D magnetism by manipulating magnetic anisotropy may open enormous opportunities in spin-based device applications.

研究动机与目标

• 研究磁各向异性在稳定二维CrOCl中长程磁序中的作用。
• 探究磁各向异性翻转是否能驱动与传统自旋翻转机制不同的元磁性转变。
• 识别并表征在磁场作用下原子级薄CrOCl中的新型磁性相，包括超结构。
• 建立磁各向异性与二维范德华磁体中涌现磁序之间的直接关联。
• 展示通过外部调控磁各向异性来调节二维磁性的可行性，以实现自旋电子学应用。

提出的方法

• 利用悬空石墨烯/CrOCl/石墨烯结，对少层CrOCl异质结进行了角度和温度依赖的自旋隧道磁阻（TMR）测量。
• 采用非接触原子力显微镜（NC-AFM）和拉曼光谱法识别并确认了机械剥离的CrOCl薄片的厚度。
• 利用振动样品磁强计（VSM）和磁扭矩测量法表征体材料的磁性性质，并确认样品质量。
• 采用密度泛函理论（DFT）计算，包括自旋-轨道耦合和范德华校正（SCAN+rVV10），计算电子结构和磁各向异性能（MAE）。
• 对隧道电流随磁场和温度的二维映射揭示了相变和超结构的形成。
• 利用带样品旋转器的低温恒温器实现了平面内与面外磁场取向的控制，以实现角度依赖测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁各向异性翻转是否能在少层CrOCl中诱导出与传统自旋翻转行为不同的元磁性转变？
• RQ2 在CrOCl中垂直磁场作用下观察到的磁相变本质是什么？
• RQ3 磁各向异性如何随厚度和外场演化，其在稳定长程有序中的作用是什么？
• RQ4 场致相中的超结构周期性和磁序是什么？
• RQ5 磁各向异性工程是否可作为调控范德华材料中二维磁性的可行机制？

主要发现

• 少层CrOCl具有沿b轴（Cr-O-Cr方向）取向的平面内反铁磁基态，其易轴方向与之对齐。
• 施加垂直于易轴（H∥c）的磁场会触发磁各向异性翻转转变，使易轴从平面内重新取向为面外方向。
• 该转变通过隧道电流的急剧上升被明确标识，表明其为与自旋翻转机制不同的场致元磁性转变。
• 随着温度升高，电流峰位置发生异常偏移，表现出非单调行为，与各向异性控制密切相关。
• 隧道电流的二维映射揭示了场致转变后形成独特的五单位晶胞周期性铁磁超结构。
• DFT计算证实存在平面内与面外磁各向异性之间的竞争，自旋-轨道耦合在磁场下稳定面外取向中起关键作用。