[论文解读] Pressure-induced spin reorientation transition in layered ferromagnetic insulator Cr2Ge2Te6

Zhisheng Lin, Mark Lohmann+10 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2018

2D Materials and Applications参考文献 15被引用 7

一句话总结

本研究展示了在层状铁磁绝缘体Cr2Ge2Te6中，压力诱导的自旋取向转变，当静水压力超过1 GPa时，磁性易轴从垂直于层的c轴转变为平面内的ab平面，导致磁各向异性能变化超过100%。第一性原理计算表明，这是由于压力下Cr-Te键长缩短，导致非键合自旋-轨道耦合增强，揭示了一种罕见但可能在二维铁磁体中普遍存在的机制。

ABSTRACT

Anisotropic magnetoresistance (AMR) of Cr2Ge2Te6 (CGT), a layered ferromagnetic insulator, is investigated under an applied hydrostatic pressure up to 2 GPa. The easy axis direction of the magnetization is inferred from the AMR saturation feature in the presence and absence of the applied pressure. At zero applied pressure, the easy axis is along the c-direction or perpendicular to the layer. Upon application of a hydrostatic pressure>1 GPa, the uniaxial anisotropy switches to easy-plane anisotropy which drives the equilibrium magnetization from the c-axis to the ab-plane at zero magnetic field, which amounts to a giant magnetic anisotropy energy change (>100%). As the temperature is increased across the Curie temperature, the characteristic AMR effect gradually decreases and disappears. Our first-principles calculations confirm the giant magnetic anisotropy energy change with moderate pressure and assign its origin to the increased off-site spin-orbit interaction of Te atoms due to a shorter Cr-Te distance. Such a pressure-induced spin reorientation transition is very rare in three-dimensional ferromagnets, but it may be common to other layered ferromagnets with similar crystal structures to CGT, and therefore offers a unique way to control magnetic anisotropy.

研究动机与目标

• 研究二维铁磁绝缘体Cr2Ge2Te6中磁各向异性的压力依赖性。
• 确定静水压力如何改变层状Cr2Ge2Te6中磁性易轴的方向。
• 利用第一性原理计算，确定观测到的自旋取向转变的微观起源。
• 探索通过外部压力调控二维范德华磁体中磁各向异性的潜力。

提出的方法

• 在高达2 GPa的静水压力下，对Cr2Ge2Te6进行了各向异性磁阻（AMR）测量，以探测磁各向异性。
• 通过有无压力条件下AMR的饱和行为确定磁性易轴。
• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，计算磁各向异性能（MAE）并分析压力下的电子结构变化。
• 分析Cr-Te键长的演化及自旋-轨道耦合贡献，以确定各向异性转变的起源。
• 进行了温度依赖的AMR测量，以追踪居里温度以上磁各向异性响应的消失。
• 量化Te原子上非键合自旋-轨道相互作用的作用，以解释巨大的MAE变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 静水压力如何影响Cr2Ge2Te6中的磁各向异性和易轴取向？
• RQ2 压力在Cr2Ge2Te6中诱导的磁各向异性能变化的大小是多少？
• RQ3 Cr2Ge2Te6中压力诱导的自旋取向转变的微观起源是什么？
• RQ4 磁各向异性如何随温度演化，以及在何时消失？
• RQ5 Te原子的自旋-轨道耦合在压力下对观测到的各向异性变化贡献有多大？

主要发现

• 当静水压力超过1 GPa时，Cr2Ge2Te6中的磁性易轴从c轴重新取向至ab平面，表明从单轴各向异性转变为平面内各向异性。
• 磁各向异性能的变化超过100%，是迄今在压力下实验观测到的最大磁各向异性变化之一。
• 各向异性磁阻（AMR）在居里温度以上消失，证实了长程磁序的丧失。
• 第一性原理计算证实了巨大的MAE变化，并将其归因于压力下Cr-Te距离缩短导致Te原子的非键合自旋-轨道耦合增强。
• 压力诱导的自旋取向转变归因于结构压缩引起的自旋-轨道耦合增强，而非磁矩或交换相互作用的变化。
• 该机制可能适用于具有类似晶体结构的其他层状铁磁二维材料。