بایاس تبادلی جانبی برای کنترل بردار نیل در پادفرومغناطیس‌های اتمی نازک

چکیده

آهنرباهای پادفرومغناطیس (AF) واندروالسی (vdW)، مزایای آهنرباهای vdW را با کارایی اسپینترونیکِ پادفرومغناطیس ترکیب می‌کنند و فرصت‌های منحصربه‌فردی برای ساخت ادوات اسپینترونیک فوق‌سریع و مستحکم فراهم می‌آورند. با این حال، نبودِ رویکردهایی برای دستکاری موضعی و قطعی پارامتر نظم آن‌ها، یعنی بردار نیل، همچنان یک محدودیت کلیدی به شمار می‌رود. در این پژوهش، ما از طریق اثری که آن را «بایاس تبادلی جانبی» (LEB) می‌نامیم، به کنترل بردار نیل در دولایه‌هایی از ماده پادفرومغناطیس واندروالسی CrSBr دست یافته‌ایم. در این روش از ساختار تک‌بلوری پلکانی نمونه‌های CrSBr بهره می‌گیریم. در این ساختار، بردار نیلِ دولایه توسط بایاس تبادلی جانبی از سوی پوسته‌های مجاور که تعداد لایه‌های فرد و در نتیجه مغناطش غیرصفر دارند، کنترل می‌شود. ما این مغناطش را با اعمال میدان‌های مغناطیسی دستکاری می‌کنیم. با استفاده از این کنترل، به دستکاری پایدار (غیرفرّار) حوزه‌های مغناطیسی و دیواره‌های حوزه‌ای در دولایه‌های پادفرومغناطیس CrSBr دست می‌یابیم و جعبه‌ابزار قدرتمندی برای کنترل پادفرومغناطیس‌های اتمی نازک در مقیاس نانو ایجاد می‌کنیم. نتایج ما دیدگاه‌های رایج در مورد بایاس تبادلی را به چالش می‌کشد و سازوکاری که پیش از این کشف نشده بود را برای دستیابی به کنترل نظم پادفرومغناطیسی در مقیاس اتمی ارائه می‌دهد. یافته‌های ما راه را برای توسعه معماری‌های پیشرفته اسپینترونیک و فناوری‌های کوانتومی مبتنی بر آهنرباهای واندروالسی هموار می‌سازد.

مقدمه

پارامتر نظم آهنرباهای واندروالسیِ چندلایه را می‌توان با طیف وسیعی از محرک‌های خارجی، از جمله میدان‌های مغناطیسی^۱،۲ و الکتریکی^۳،۴، آلایش (دوپینگ)^۴،۵، فشار^۶ و کرنش^۷ کنترل کرد. با این حال، رویکردهای کنونی، آن نوع کنترل موضعی بر پارامترهای نظم را که برای ایجاد قطعی بافت‌های اسپینی مانند دیواره‌های حوزه‌ای مغناطیسی لازم است، فراهم نمی‌کنند و در بیشتر موارد، امکان سوئیچینگ دوپایا بین حالت‌های پایدار (غیرفرّار) را که پیش‌نیاز اسپینترونیکِ واندروالسی است، نمی‌دهند. اگرچه گام‌های اولیه مهمی در این راستا برداشته شده است^۸، تحقق چنین کنترل موضعی در پادفرومغناطیس‌های واندروالسی کاملاً جبران‌شده همچنان چالش‌برانگیز است و تاکنون هیچ‌گونه نوشتن کنترل‌شده‌ای از بافت‌های اسپینی گزارش نشده است.

در مغناطیس کلاسیک^۹،۱۰ و ادوات اسپینترونیک لایه نازک^۱۱،۱۲، پدیده بایاس تبادلی (EB) دهه‌هاست که به عنوان یک رویکرد کارآمد برای کنترل پارامتر نظم مغناطیسی شناخته می‌شود و در توسعه فناوری‌های حافظه و حسگر نقش اساسی داشته است^۱۳. اثر بایاس تبادلی بر اساس برهم‌کنش‌های تبادلی در فصل مشترک بین دو لایه مغناطیسی مجاور استوار است، که در آن پارامتر نظم یک لایه تثبیت‌کننده (pinning layer)، که معمولاً یک پادفرومغناطیس است، پارامتر نظم در لایه هدف مجاور، که معمولاً یک فرومغناطیس (FM) است، را کنترل می‌کند. علی‌رغم تحقیقات گسترده در مورد بایاس تبادلی در آهنرباهای واندروالسی^{۱۴،۱۵،۱۶،۱۷}، استفاده از آن برای اسپینترونیک واندروالسی و کنترل پارامتر نظم در این آهنرباها به دلیل ضعف بایاس تبادلی بین‌لایه‌ای و مشکلات در کنترل تکرارپذیر شکاف واندروالسی در ساختارهای ناهمگون عمودی واندروالسی^۱۸، همچنان چالش‌برانگیز است.

در اینجا، ما مفهوم جدیدی از بایاس تبادلی در پادفرومغناطیس‌های واندروالسی را معرفی می‌کنیم که ذاتاً از این محدودیت‌ها مبراست و کاربرد آن را برای کنترل موضعی پارامتر نظم و مقداردهی اولیه بافت اسپینی در دولایه‌های پادفرومغناطیس واندروالسی CrSBr^۱۹ نشان می‌دهیم. مفهوم ما، که آن را «بایاس تبادلی جانبی» (LEB) می‌نامیم، از برهم‌کنش‌های تبادلی در فصل مشترک یک‌بعدی بین دو ناحیه مجاور با تعداد لایه‌های متفاوت از همان آهنربای واندروالسی تک‌بلوری برای کنترل پارامتر نظم بهره می‌برد. تبادل جانبی پیش از این در لایه‌های نازک فرومغناطیس^۲۰،۲۱ و ساختارهای ناهمگون واندروالسی^۲۲،۲۳ مشاهده شده بود، اما هرگز برای دستکاری نظم پادفرومغناطیسی به کار نرفته بود. در نمایش ما، یک دولایه CrSBr با نظم پادفرومغناطیسی در مجاورت یک سه‌لایه با مغناطش غیرصفر قرار دارد و کنترل سه‌لایه با میدان مغناطیسی برای کنترل بردار نیل در دولایه استفاده می‌شود.

نتایج و بحث

شکل ۱a-i یک مقطع عرضی نمونه‌ای از نمونه ما را نشان می‌دهد که شامل یک دولایه CrSBr با پوسته‌های مجاور سه‌لایه و هفت‌لایه است (برای تصویر اپتیکی به شکل ۱b مراجعه کنید) و همچنین پیکربندی اسپینی مورد انتظار پس از سردسازی نمونه در میدان صفر را نمایش می‌دهد^۲۴. CrSBr یک پادفرومغناطیس با محور آسان (easy-axis) است، که در آن محور آسان (محور «b») در صفحه واندروالسی قرار دارد و اسپین‌ها در هر صفحه به صورت فرومغناطیسی و بین صفحات به صورت پادفرومغناطیسی مرتب می‌شوند^۱۹. در نتیجه، نمونه‌های CrSBr با تعداد لایه‌های زوج (فرد) به ترتیب دارای مغناطش صفر (غیرصفر) هستند.

a-i شماتیکی از نمونه CrSBr لایه‌برداری شده پس از سردسازی در میدان صفر. یک نوک الماس با یک مرکز NV تعبیه‌شده و زاویه بین مرکز NV و صفحه نمونه نشان داده شده است. ii-iv شماتیکی از نمونه پس از اعمال متوالی میدان‌های ۱۴۰ میلی‌تسلا، ۲۰۰ میلی‌تسلا و ۰ میلی‌تسلا در امتداد محور بلوری b. b تصویر اپتیکی از پوسته که با اندازه‌گیری بازتاب لیزر ۶۴۰ نانومتری به دست آمده است. پشته‌های ۲، ۳ و ۷ لایه‌ای مشخص شده‌اند. c تصویر مغناطیسی Dual-Iso-B (به بخش III اطلاعات تکمیلی مراجعه کنید) از پوسته برای یک میدان خارجی هم‌صفحه ۲ میلی‌تسلا.

برای ارزیابی حالت مغناطیسی نمونه و تصویربرداری از بافت‌های اسپینی آن، از تصویربرداری مستقیم مغناطیسی با استفاده از مغناطیس‌سنجی روبشی نیتروژن-تهی‌جایی (NV) استفاده می‌کنیم. به طور خلاصه، مغناطیس‌سنجی NV از اسپین الکترونی مرکز NV به عنوان یک مغناطیس‌سنج حساس بهره می‌برد که می‌تواند به صورت نوری مقداردهی اولیه و خوانده شود و توسط میدان‌های مغناطیسی ریزموج کنترل گردد^۲۵. برای دستیابی به تصویربرداری در مقیاس نانو، اسپین NV در یک نوک الماسی تعبیه شده^۲۶ تا در فاصله تقریبی ۵۰ نانومتری از نمونه روبش شود. در این کار، ما از هر دو حالت تصویربرداری کیفی (Dual-Iso-B) و کمی (ODMR) همان‌طور که در بخش III اطلاعات تکمیلی (SI) شرح داده شده است، استفاده می‌کنیم؛ حالت اول برای ارزیابی سریع پیکربندی‌های اسپینی و حالت دوم برای تحلیل کمی دقیق بافت‌های اسپینی حاصل به کار می‌رود. شکل ۱c یک تصویر مغناطیس‌سنجی NV کیفی از نمونه ما را نشان می‌دهد که الگوهای میدان پراکنده سازگار با آرایش اسپینی نمایش داده شده در شکل ۱a-i را نشان می‌دهد^۲۴. تمام داده‌هایی که ما ارائه می‌دهیم در دمای T ≈ ۴ کلوین در یک دستگاه مغناطیس‌سنجی روبشی NV برودتی با کنترل برداری میدان مغناطیسی که در جای دیگری شرح داده شده، به دست آمده است^۲۴،۲۷. هنگام انجام مغناطیس‌سنجی NV در میدان‌های مغناطیسی خارجی، ما این میدان‌ها را با محور کوانتیزاسیون اسپین NV، یعنی e_NV، هم‌راستا می‌کنیم تا از عملکرد بهینه اطمینان حاصل شود^۲۸ و نمونه‌های خود را طوری نصب می‌کنیم که e_NV در صفحه b-c نمونه قرار گیرد و با محور c زاویه تقریبی ۵۴ درجه بسازد (شکل ۱a-i). به دلیل پاسخ ضعیف CrSBr به میدان‌های مغناطیسی در امتداد محور c^۲۹، ما هر زمان که میدانی اعمال می‌شود، اندازه مؤلفه در امتداد محور b، یعنی B_b را ذکر می‌کنیم.

یک رویکرد ممکن برای بهره‌برداری از بایاس تبادلی جانبی (LEB) برای کنترل بردار نیل در دنباله‌ای از تصاویر در شکل ۱a,i–iv نشان داده شده است. این دنباله شامل افزایش میدان مغناطیسی B_b است، که در آن ابتدا، دولایه در B_b ≈ ۱۴۰ میلی‌تسلا دچار گذار اسپین-فلیپ (spin-flip) می‌شود^{۲۹،۳۰،۳۱،۳۲} و سپس، سه‌لایه در B_b ≈ ۲۰۰ میلی‌تسلا مغناطش خود را تغییر می‌دهد^۵. نکته مهم این است که پوسته ۷ لایه‌ای (که در ادامه از آن به عنوان «لایه تثبیت‌کننده» یاد خواهیم کرد) تحت تأثیر این فرآیند قرار نمی‌گیرد، زیرا مقادیر میدان اسپین-فلیپ در چند لایه‌های CrSBr به تعداد دقیق لایه‌ها بستگی دارد و با افزایش ضخامت پوسته افزایش می‌یابد^۳۳ (به بخش V اطلاعات تکمیلی مراجعه کنید). فلیپ شدن سه‌لایه (که در ادامه از آن به عنوان «لایه کنترلی» یاد خواهیم کرد)، دولایه را در مرزهای خود با لایه کنترلی و لایه تثبیت‌کننده، در معرض بایاس تبادلی جانبی با علامت‌های مخالف قرار می‌دهد. در نتیجه، پس از کاهش B_b به زیر B_SF، فازهای پادفرومغناطیس با جهت‌گیری‌های مخالف بردار نیل از دو مرز پدیدار می‌شوند که منجر به آرایش اسپینی نهایی مورد انتظار در شکل ۱a-iv می‌شود.

ما با ارزیابی تجربی کارایی LEB شروع می‌کنیم. برای این منظور، بر روی رژیم B_b ≈ B_SF,2 تمرکز می‌کنیم، جایی که دولایه در حالت همزیستی فاز بین فازهای فرومغناطیس و پادفرومغناطیس قرار دارد^۲۴،۳۴، که متناظر با مراحل ۲ و ۴ دنباله میدان خارجی ارائه شده در شکل ۲a است. شکل ۲b شماتیکی از حالت مغناطیسی پوسته را نشان می‌دهد که ما از تصویر مغناطیسی به دست آمده در B_b = ۱۴۴ میلی‌تسلا استنباط می‌کنیم (شکل ۲c). نکته مهم این است که ما دریافتیم که LEB تأثیر چشمگیری بر مسیر دیواره‌های فاز پادفرومغناطیس-فرومغناطیس در داخل دولایه دارد، زمانی که این دیواره‌ها به لایه تثبیت‌کننده مجاور برخورد می‌کنند. به طور خاص، در نزدیکی محل تقاطع با فصل مشترک دولایه-لایه تثبیت‌کننده، دیواره‌های فاز اعوجاج‌های چشمگیر و تکرارپذیری را از خود نشان می‌دهند که از حالت برخورد عمودی که هنگام برخورد دیواره فاز با مرز پوسته مشاهده و انتظار می‌رود^۳۵، منحرف می‌شوند. این اعوجاج‌ها به خوبی با انرژی‌شناسی LEB در فصل مشترک دولایه-لایه تثبیت‌کننده توضیح داده می‌شوند (شکل ۲d را ببینید): جایی که دولایه دارای هم‌ترازی اسپین فرومغناطیسی است، فصل مشترک متحمل یک جریمه انرژی می‌شود که متناظر با یک دیواره حوزه‌ای سر-به-سر در یک تک‌لایه CrSBr است. برعکس، اگر دولایه در فاز پادفرومغناطیسی باشد، انرژی فصل مشترک به جهت‌گیری بردار نیل آن بستگی دارد. برای آرایش نشان داده شده در شکل ۲d، انرژی فصل مشترک معادل یک دیواره حوزه‌ای سر-به-سر در دو تک‌لایه CrSBr است، در حالی که برای جهت‌گیری مخالف بردار نیل، انرژی فصل مشترک صفر است. بنابراین، برای به حداقل رساندن انرژی، طول فصل مشترک کم‌انرژی دولایه-لایه تثبیت‌کننده به قیمت فصل مشترک پرانرژی افزایش می‌یابد. این افزایش، دیواره فاز را دچار اعوجاج و کشیدگی می‌کند، که هر دو جریمه‌های انرژی اضافی را به همراه دارند. این فرآیند زمانی متوقف می‌شود که انرژی به یک کمینه محلی برسد و منجر به مسیر اعوجاج‌یافته دیواره فاز نشان داده شده در شکل ۲e شود. این رفتار را می‌توان به عنوان یک قیاس مغناطیسی برای «ترشوندگی» (wetting) در هیدرواستاتیک در نظر گرفت، که در آن دیواره فاز یک «زاویه تماس» با لایه تثبیت‌کننده تشکیل می‌دهد (به بخش VII اطلاعات تکمیلی مراجعه کنید).

a دنباله میدان مغناطیسی خارجی اعمال شده در امتداد محور آسان پوسته، همراه با مغناطش مورد انتظار برای هر پشته. b تا f مربوط به مرحله ۴ و g تا k مربوط به مرحله ۲ هستند. برای جزئیات بیشتر به بخش‌های VI و VII اطلاعات تکمیلی مراجعه کنید. b شماتیکی از حالت مغناطیسی در پوسته برای یک میدان خارجی ۱۴۴ میلی‌تسلا. c تصویر مغناطیسی Dual-Iso-B از پوسته در ناحیه مشخص شده در شماتیک. برای تصویربرداری در مقیاس کامل از دولایه به بخش IV اطلاعات تکمیلی مراجعه کنید. خطوط نقطه‌چین مرزهای بین نواحی با ضخامت‌های مختلف را نشان می‌دهند. d تصویری از اعوجاج دیواره فاز در فصل مشترک لایه تثبیت‌کننده. بخشی از مرز که با رنگ قرمز مشخص شده دارای انرژی فصل مشترک بالاتری نسبت به بخش سبز است. انحراف از برخورد عمودی با یک فلش سیاه مشخص شده است. e تصویر مغناطیسی ODMR از ناحیه فصل مشترک. خط نقطه‌چین و فلش سیاه انحراف از برخورد عمودی را نشان می‌دهند. f شبیه‌سازی میکرومغناطیسی پوسته با استفاده از کد رنگی در a (جزئیات شبیه‌سازی در بخش V اطلاعات تکمیلی). g تا k مشابه b تا f با این تفاوت که مغناطش لایه کنترلی معکوس شده است.

ما این تصویر شهودی را از طریق شبیه‌سازی‌های عددی میکرومغناطیسی که به تفصیل در بخش V اطلاعات تکمیلی شرح داده شده است، تأیید کردیم. شکل ۲e یک نتیجه شبیه‌سازی نمونه برای پیکربندی اسپین حالت پایدار در یک سیستم مدل CrSBr را نشان می‌دهد که هندسه نمونه ما را تقلید می‌کند. نکته مهم این است که شبیه‌سازی یک مسیر دیواره فاز و همزیستی فاز فرومغناطیس/پادفرومغناطیس را به دست می‌دهد که با داده‌های ما انطباق کیفی خوبی دارد.

در مرحله بعد، ما یک آزمایش کنترلی انجام دادیم که در آن تأثیر LEB را بر مسیر دیواره فاز برای جهت‌گیری بردار نیل مخالف با مورد قبلی بررسی کردیم (شکل ۲g-k). ابتدا یک میدان مثبت B_b = ۳۴۰ میلی‌تسلا اعمال کردیم تا مغناطش لایه کنترلی را معکوس کنیم. با کاهش B_b به سمت B_SF,2، یک پاکت پادفرومغناطیسی ترجیحاً در فصل مشترک با لایه کنترلی هسته‌زایی می‌کند^۲۴، و به دلیل LEB، بردار نیل آن نسبت به مورد قبلی معکوس خواهد بود. این ادعا توسط رفتار کاملاً متفاوت دیواره فاز که در این مورد در B_b ≈ B_SF,2 مشاهده می‌کنیم، تأیید می‌شود (شکل ۲g). دیواره فاز اکنون در جهت مخالف قبل منحرف می‌شود که نتیجه تغییر انرژی در فصل مشترک دولایه-لایه تثبیت‌کننده است. این تصویر بار دیگر توسط مدل میکرومغناطیسی همانطور که در شکل ۲j نشان داده شده است، تأیید می‌شود.

اکنون دانش خود را از LEB برای نوشتن قطعی یک دیواره حوزه‌ای در دولایه CrSBr با نظم پادفرومغناطیسی به کار می‌بریم. با شروع از حالت تجربی نشان داده شده در شکل ۲b، میدان مغناطیسی را به زیر B_SF,2 کاهش می‌دهیم، جایی که تمام دولایه دارای نظم پادفرومغناطیسی است. شکل ۳b دنباله‌ای از تصاویر مغناطیسی را نشان می‌دهد که تکامل بافت اسپینی دولایه را با کاهش میدان نمایش می‌دهد. به طرز شگفت‌انگیزی، در B_b = ۱۳۱ میلی‌تسلا، ما متوجه می‌شویم که دولایه توسط یک خط برجسته با میدان پراکنده غیرصفر تقسیم شده است. بر اساس ارزیابی ما از ساختار اسپینی دولایه، ما این خط را به وجود یک دیواره حوزه‌ای پادفرومغناطیسی نسبت می‌دهیم (شکل ۳c). یک آزمایش کنترلی این تفسیر را بیشتر تأیید می‌کند: اگر دنباله از پیکربندی اولیه ارائه شده در شکل ۳d تکرار شود، انتظار هیچ دیواره حوزه‌ای نمی‌رود، و در واقع، یک ناحیه پادفرومغناطیسی کاملاً همگن در دولایه نتیجه می‌شود (شکل ۳e).

a شماتیکی از حالت مغناطیسی پوسته در B ≈ ۱۴۰ میلی‌تسلا هنگامی که لایه کنترلی به سمت چپ فلیپ شده است. b تصاویر مغناطیسی Dual-Iso-B از پوسته به عنوان تابعی از کاهش میدان خارجی. خطوط نقطه‌چین مرزهای بین نواحی با ضخامت‌های مختلف را نشان می‌دهند. c شماتیکی از حالت مغناطیسی پوسته در B ≈ ۱۳۰ میلی‌تسلا. d تا f مشابه a تا c با این تفاوت که لایه کنترلی به سمت راست فلیپ شده است.

اگرچه تعیین ساختار دقیق دیواره حوزه‌ای خارج از محدوده این کار است، شبیه‌سازی‌های ما نشان می‌دهد که این دیواره از نوع نیل (Néel) است. به نظر می‌رسد میدان پراکنده غیرصفر مشاهده شده از دیواره حوزه‌ای، از کج‌شدگی اسپین (spin-canting) ناشی از مؤلفه هم‌صفحه (محور b) میدان اعمال‌شده سرچشمه می‌گیرد، زیرا اندازه آن به زاویه دیواره حوزه‌ای بستگی دارد (با صرف نظر از کج‌شدگی خارج از صفحه) و با میدان اعمال‌شده افزایش می‌یابد. هنگام تکرار آزمایش، ما دیواره حوزه‌ای را در مکان‌های مختلف و تصادفی روی نمونه مشاهده کردیم (به بخش VIII اطلاعات تکمیلی مراجعه کنید)، که نشان می‌دهد حرکت دیواره حوزه‌ای به شدت تحت تأثیر تثبیت (pinning) قرار نمی‌گیرد. ما همچنین این دنباله را با موفقیت بر روی یک نمونه دولایه دیگر اعمال کردیم و یک دیواره حوزه‌ای ایجاد کردیم (به بخش IX اطلاعات تکمیلی مراجعه کنید).

در نهایت، آزمایش ما همچنین نمونه‌ای از تزئین حوزه‌های پادفرومغناطیسی (AF domain decoration) را آشکار کرد. شکل ۴a نتیجه یک نمونه جدید از دنباله نوشتن دیواره حوزه‌ای را نشان می‌دهد، که در آن دیواره حوزه‌ای حاصل از یک سه‌لایه CrSBr به عرض تقریبی ۲۰۰ نانومتر که از لایه کنترلی به داخل دولایه امتداد یافته است، عبور می‌کند (به بخش I اطلاعات تکمیلی مراجعه کنید). یک اسکن مغناطیس‌سنجی کمی (شکل ۴b, c) نشان می‌دهد که به واسطه برهم‌کنش تبادلی بین‌لایه‌ای پادفرومغناطیسی، ساختار حوزه‌ای دولایه بر روی آن سه‌لایه حک می‌شود که اکنون به یک حالت دو-حوزه‌ای تقسیم شده است (تصویر در شکل ۴d را ببینید). افزایش بیست برابری حاصل در میدان پراکنده دیواره حوزه‌ای روی سه‌لایه باریک در مقایسه با دولایه حجیم (شکل ۴e)، نشان می‌دهد که چنین نوارهای نازکی به عنوان تزئینات کارآمدی برای حوزه‌های پادفرومغناطیسی زیرین عمل می‌کنند و ممکن است در نتیجه، تشخیص چنین حوزه‌هایی را در نزدیکی میدان مغناطیسی صفر، جایی که میدان پراکنده دیواره حوزه‌ای در غیر این صورت غیرقابل تشخیص است، امکان‌پذیر سازند.

a تصویر مغناطیسی Dual-iso-B از دیواره حوزه‌ای پادفرومغناطیسی که یک لایه نازک فرومغناطیس را قطع کرده و بر روی آن حک شده است. b، c تصاویر مغناطیسی ODMR از فصل مشترک دیواره حوزه‌ای AF-FM در میدان مقداردهی اولیه B_b = ۱۳۸ میلی‌تسلا و با کاهش میدان به نزدیک صفر B_b = ۲ میلی‌تسلا. d شماتیکی از چرخش‌های اسپین هم‌صفحه هر لایه در فصل مشترک دیواره حوزه‌ای. e برش‌های خطی از میدان مغناطیسی دیواره‌های حوزه‌ای دولایه (آبی) و سه‌لایه (سبز)، همانطور که در a و b نشان داده شده است، با تفاوت تقریبی ۲۵ برابری در اندازه.

در نتیجه، ما LEB را به عنوان یک ابزار جدید برای کنترل بردار نیل در پادفرومغناطیس‌های واندروالسی تثبیت کرده‌ایم. نکته مهم این است که مفهوم ما به راحتی به سایر آهنرباهای واندروالسی نیز قابل تعمیم است و به طور خاص، باید برای هر پادفرومغناطیس واندروالسی نوع a، از جمله نمونه‌های برجسته CrI_۳^۲، CrCl_۳^۳۶ یا CrPS_۴^۳۷ کاربرد داشته باشد، که در آنها روش‌شناسی «زاویه ترشوندگی» ما نیز می‌تواند برای ارزیابی انرژی‌های تبادلی فصل مشترک به کار رود.

نتایج ما بر طبیعت تک‌بلوری آهنرباهای واندروالسی استوار است که فصل مشترک‌های جانبی با تیزی اتمی را ارائه می‌دهند—یک عامل کلیدی که آنها را از همتایان لایه نازک خود متمایز می‌کند و منجر به افزایش قابل توجهی در دامنه بایاس تبادلی می‌شود: در حالی که در هندسه‌های لایه نازک^۱۱،۱۲، هر اسپین فصل مشترک از لایه تثبیت‌کننده ده‌ها اسپین را در لایه‌های هدف که معمولاً چند نانومتر ضخامت دارند کنترل می‌کند، در LEB ما، هر اسپین فصل مشترک یک ردیف از اسپین‌ها را که تا میکرون‌ها در لایه هدف امتداد می‌یابند کنترل می‌کند—این یک افزایش چندین مرتبه بزرگی در دامنه مؤثر بایاس تبادلی است.

کار ما مسیرهای هیجان‌انگیز آینده را نه تنها به سوی درک بنیادی دیواره‌های حوزه‌ای^۳۸ و تشکیل حوزه در پادفرومغناطیس‌های اتمی نازک، بلکه در زمینه برهم‌کنش اخیراً کشف شده بین مغناطیس و برانگیختگی‌های نوری و مغناطیسی CrSBr^۵ نیز می‌گشاید. در واقع، به نظر می‌رسد اکسیتون‌ها و مگنون‌ها در این سیستم به شدت جفت شده‌اند^۳۹، که همراه با هدایت مگنون بر روی بافت‌های اسپینی^۴۰، ممکن است دینامیک مهندسی‌شده مگنون-اکسیتون را که توسط دیواره‌های حوزه‌ای پادفرومغناطیسی نوشته‌شده با LEB کنترل می‌شود، امکان‌پذیر سازد.

روش‌ها

آماده‌سازی و مشخصه‌یابی نمونه

بلورهای منفرد بزرگ CrSBr با استفاده از واکنش انتقال بخار شیمیایی، همانطور که در Scheie و همکاران^۴۱ شرح داده شده است، رشد داده شدند. پوسته‌های CrSBr به صورت مکانیکی در شرایط محیطی بر روی زیرلایه‌های SiO2/Si⁺ به ضخامت ۲۸۰ نانومتر (NOVA HS39626-WO) که با پلاسمای اکسیژن تمیز شده بودند، با استفاده از نوار Scotch Magic^TM لایه‌برداری شدند^{۴۲،۴۳،۴۴}. ضخامت پوسته با کنتراست نوری شناسایی و با میکروسکوپ نیروی اتمی تأیید شد^۱۹،۳۲.

میکروسکوپ نیروی اتمی در دستگاه Jupiter XR Asylum Research AFM با استفاده از نوک‌های AC-240 در حالت ضربه‌ای (tapping mode) انجام شد. پروفایل‌های ارتفاعی بر روی ۱۰ پیکسل میانگین‌گیری و با استفاده از Gwyddion استخراج شدند.

شکل تکمیلی S1 پروفایل ارتفاعی نواحی دولایه و سه‌لایه و همچنین سه‌لایه باریک ذکر شده در شکل ۴ را نشان می‌دهد. عرض این ویژگی بین ۱۰۰ تا ۲۰۰ نانومتر اندازه‌گیری شد. به دلیل تفاوت در برهم‌کنش‌های نوک با زیرلایه و نمونه، لبه‌های پله بین SiO_۲ و CrSBr بزرگتر (≈۱.۴ نانومتر) از ارتفاع واقعی پوسته‌ها (≈۰.۸ نانومتر) هستند. هم تحلیل جذب نوری و هم تحلیل مغناطیسی تعداد واقعی لایه‌ها را تأیید می‌کنند.

مغناطیس‌سنجی با مرکز NV

اندازه‌گیری‌های مرکز NV در یک کرایوستات Attocube attoLIQUID 1000 انجام شد، که یک کرایوستات حمام هلیوم مایع He4 مجهز به یک آهنربای برداری ابررسانای سه‌بعدی (Janis) است. این کرایوستات شامل یک مجموعه مبتنی بر AFM روبشی در ترکیب با یک میکروسکوپ کانفوکال با دسترسی نوری در دماهای برودتی (T = ۴.۲ کلوین) است.

دو مجموعه از موقعیت‌دهنده‌های attocube (اسکنرهای ANSxyz50 و تنظیم‌کننده‌های درشت ANPxyz51) در هر دو سمت نوک و نمونه وجود دارد. این امر حرکت دقیق و مستقل نوک NV و نمونه را امکان‌پذیر می‌سازد. نوک NV با محور نوری هم‌تراز شده و در طول اسکن‌ها ثابت است در حالی که نمونه روبش می‌شود. نوک NV شامل یک کانتیلور الماسی با یک نوک سهموی است که یک مرکز NV منفرد در نزدیکی رأس آن قرار دارد. کانتیلور به یک دیاپازون متصل است تا AFM را انجام دهد. نوک‌های NV مورد استفاده در این مطالعه بر اساس کارهای قبلی^۴۵،۴۶ در آزمایشگاه ساخته شده‌اند.

دسترسی نوری به اسپین NV از طریق یک عدسی شیئی سازگار با دمای پایین (Attocube LT-APO/VISIR/0.82, 0.82 NA) که مستقیماً روی میکروسکوپ نصب شده است، و یک مجموعه کانفوکال ساخت خودمان فراهم می‌شود. اسپین الکترونی NV با استفاده از یک لیزر ۵۳۲ نانومتری (LaserQuantum, GEM532) برانگیخته می‌شود و فوتولومینسانس (PL) NV با استفاده از یک آینه دورنگ و با یک آشکارساز فوتودیود بهمنی (Excelitas, SPCM-ARQH-13) اندازه‌گیری می‌شود. یک آنتن سیمی طلا که در عرض نمونه (فاصله ۸۰ میکرومتر) متصل شده است، برای ارسال پالس‌های ریزموج (SRS SG384) برای دستکاری اسپین استفاده می‌شود.

در پیکربندی روبشی، فاصله بین مرکز NV در نوک و نمونه CrSBr حدود ۵۰ نانومتر است، که این امر تفکیک‌پذیری فضایی را محدود می‌کند. علاوه بر این، وجود یک میدان مغناطیسی که عمود بر محور NV باشد، منجر به اختلاط حالت‌های اسپینی NV و در نتیجه کاهش کنتراست ODMR و حساسیت پایین‌تر می‌شود. بنابراین، میدان مغناطیسی خارجی همیشه در امتداد محور NV (θ = ۵۴ درجه) هم‌تراز می‌شود که منجر به یک مؤلفه B اضافی خارج از صفحه می‌گردد. مقادیر میدان مغناطیسی ارائه شده در این مقاله، مگر اینکه خلاف آن مشخص شده باشد، مربوط به مؤلفه میدان هم‌صفحه است.

شبیه‌سازی میکرومغناطیسی

شبیه‌سازی‌های میکرومغناطیسی مستقیماً بر اساس مدل ارائه شده در Tschudin و همکاران^۲۴ بنا شده‌اند و از همان پارامترها استفاده می‌کنند، مگر اینکه خلاف آن مشخص شده باشد. به طور خلاصه، تصاویر سیاه‌وسفید هر لایه، که از تصاویر نوری پوسته گرفته شده‌اند، برای تعیین هندسه استفاده می‌شوند. ساختار لایه‌ای CrSBr در مش تفاضل محدود با اختصاص دادن ضخامت برابر با یک لایه منفرد CrSBr به هر سلول، نمایش داده می‌شود. در مقابل، اندازه سلول مش هم‌صفحه در مقیاس چند نانومتری نگه داشته می‌شود، که امکان شبیه‌سازی پوسته‌هایی در مقیاس میکرون را فراهم می‌کند. جفت‌شدگی تبادلی بین لایه‌ها به کسری کوچک و منفی از جفت‌شدگی تبادلی هم‌صفحه تنظیم شده است تا نظم پادفرومغناطیسی نوع a را تقویت کند.

لایه تثبیت‌کننده (شکل ۱ را ببینید)، که از ۷ لایه CrSBr تشکیل شده است، برای سادگی و کاهش هزینه‌های محاسباتی به ۳ لایه کاهش یافته است، که انتظار نداریم تأثیر قابل توجهی بر فیزیک مورد بررسی داشته باشد. حجم کل شبیه‌سازی تقریباً ۸ میکرومتر × ۱۲ میکرومتر × ۲.۴ نانومتر است، با ۱۶۰۰ × ۲۴۰۰ × ۳ سلول و اندازه‌های سلول متناظر ۵ نانومتر × ۵ نانومتر × ۰.۸ نانومتر. یک تغییر xy در اندازه جفت‌شدگی تبادلی بین لایه‌ها مهندسی شده است تا حوزه‌های فرومغناطیسی پایدار را در همان مناطقی که در آزمایش برای شدت‌های میدان مغناطیسی خارجی مشابه مشاهده می‌شود، تسهیل کند. سپس حالت مغناطیسی در پوسته را در یک پیکربندی نزدیک به آنچه به صورت تجربی برای یک میدان مغناطیسی اعمال شده معین مشاهده می‌شود، مقداردهی اولیه می‌کنیم، که بسیار شبیه به آنچه در شکل ۲e, j ترسیم شده است. سپس حل‌کننده میکرومغناطیسی^۴۷،۴۸ حالت را به نزدیکترین کمینه انرژی محلی که پیدا می‌کند، وامی‌نهد (relax).

فراتر از شبیه‌سازی‌های ارائه شده در متن اصلی، ما همچنین تکامل تشکیل حوزه را با کاهش میدان مغناطیسی خارجی برای هر دو وضعیت تجربی ترسیم شده در شکل ۲a, f ردیابی کرده‌ایم. این در شکل تکمیلی S2 نشان داده شده است، که تحلیل تکامل ارائه شده در متن اصلی را دوباره تأیید می‌کند.

ما خاطرنشان می‌کنیم که جدا شدن دیواره حوزه‌ای پادفرومغناطیسی از دیواره فاز AF-FM که در سری اول مشاهده شد، گاهی اوقات به صورت تجربی نیز مشاهده می‌شود (به بخش VIII اطلاعات تکمیلی مراجعه کنید).