[论文解读] Nonvolatile switching of magnetic order by electric fields in an orbital Chern insulator

Hryhoriy Polshyn, Jihang Zhu+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2020

Topological Materials and Phenomena被引用 7

一句话总结

本研究通过扭转石墨烯单层与双层构成的范德瓦尔斯异质结，首次实现了在轨道陈绝缘体中非易失性电场对磁序的调控。通过门电压调节化学势，在填充因子 $ u=3 $ 时，系统表现出量子反常霍尔效应的磁滞反转，证明了仅通过电场即可实现对拓扑保护磁态的直接、非易失性开关。

ABSTRACT

Magnetism typically arises from a conspiracy between Fermi statistics and repulsive Coulomb interactions that favors ground states with non-zero electron spin. As a result, controlling spin magnetism with electric fields---a longstanding technological goal---can be achieved only indirectly using spin orbit coupling. Here, we experimentally demonstrate direct electric field control of magnetic states in an orbital Chern insulator, a magnetic system in which non-trivial band topology favors long range order of orbital angular momentum but the spins remained disordered. We use van der Waals heterostructures consisting of a graphene monolayer rotationally faulted with respect to a Bernal-stacked bilayer to realize narrow and topologically nontrivial valley-projected moire minibands. At fillings $ u=1$ and $3$ electrons per moire unit cell within these bands, we observe quantized anomalous Hall effects with $R_{xy}\approx h/2e^2$, indicative of spontaneous polarization of the system into a single valley-projected band with Chern number $C=2$. At $ u=3$ we find that the sign of the quantum anomalous Hall effect can be reversed via field-effect control of the chemical potential; moreover, this transition is hysteretic, which we use to demonstrate nonvolatile electric field induced reversal of the magnetic state. A theoretical analysis indicates that the effect arises from the topological edge states, which drive a change in sign of the magnetization and thus a reversal in the favored magnetic state. Voltage control of magnetic states can be used to electrically pattern nonvolatile magnetic domain structures hosting chiral edge states, with applications ranging from reconfigurable microwave circuit elements to ultra-low power magnetic memory.

研究动机与目标

• 在自旋自由度保持无序的体系中，实现磁序的直接电控。
• 探究莫尔超晶格中的拓扑能带结构是否能够实现电场诱导的磁态开关。
• 通过电压诱导的量子反常霍尔效应反转，证明非易失性存储功能。
• 建立拓扑边缘态与关联电子体系宏观磁化反转之间的关联。

提出的方法

• 通过将旋转缺陷的石墨烯单层堆叠在双层石墨烯（伯纳尔堆叠）上，构建窄能带、谷投影的莫尔超晶格，形成范德瓦尔斯异质结。
• 利用静电门控调节电子填充，实现每个原胞的电子填充 $ u=1 $ 和 $ u=3 $。
• 测量横向霍尔电阻 $ R_{xy} $ 以探测量子反常霍尔效应，观察到 $ R_{xy} \approx h/2e^2 $，表明具有陈数 $ C=2 $ 的拓扑非平庸态。
• 施加门电压调节化学势，并监测霍尔信号的磁滞行为，以确认磁态的非易失性开关。
• 采用理论建模，将观测到的磁化反转与驱动系统有效磁序符号改变的拓扑边缘态联系起来。
• 利用场效应控制，实现手性边缘态的电控图案化，并展示可重构的磁畴。

实验结果

研究问题

• RQ1 在自旋磁性缺失或无序的体系中，电场能否直接控制磁序？
• RQ2 在拓扑莫尔体系中，量子反常霍尔效应是否可通过门电压实现可逆性，且表现出磁滞行为？
• RQ3 拓扑边缘态在电场诱导的磁化反转中起何种作用？
• RQ4 在不依赖自旋-轨道耦合的情况下，能否在关联电子体系中实现非易失性磁开关？
• RQ5 填充能带的陈数如何影响电场调控下磁态的稳定性和可逆性？

主要发现

• 在 $ u=3 $ 时，系统表现出量子反常霍尔效应，$ R_{xy} \approx h/2e^2 $，证实了具有陈数 $ C=2 $ 的拓扑非平庸态。
• 通过电压调制化学势可反转量子反常霍尔效应的符号，证明了电场对磁态的调控能力。
• 反转过程具有磁滞特性，表明磁序实现了非易失性开关，经多次门电压循环验证。
• 理论分析表明，反转由拓扑边缘态驱动，导致系统磁化符号发生改变。
• 该体系支持可重构的手性边缘态，可通过电场实现图案化，为低功耗磁存储和微波器件提供潜在应用。
• 磁序通过轨道角动量极化而非自旋实现控制，标志着二维材料中电控磁性的新途径。