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少层α-RuCl隧道结中的巨各向异性磁电阻

Giant Anisotropic Magnetoresistance in Few-Layer α-RuCl Tunnel Junctions.

作者信息

Massicotte Mathieu, Dehlavi Sam, Liu Xiaoyu, Hart James L, Garnaoui Elio, Lampen-Kelley Paula, Yan Jiaqiang, Mandrus David G, Nagler Stephen E, Watanabe Kenji, Taniguchi Takashi, Reulet Bertrand, Cha Judy J, Kee Hae-Young, Quilliam Jeffrey A

机构信息

Institut quantique and Département de physique, Université de Sherbrooke, Sherbrooke, QC J1K 2R1, Canada.

Institut Interdisciplinaire d'Innovation Technologique (3iT), Laboratoire Nanotechnologies Nanosystèmes (LN2) - CNRS IRL-3463 and Département de génie électrique et génie informatique, Université de Sherbrooke, Sherbrooke J1K 2R1, Canada.

出版信息

ACS Nano. 2024 Sep 10;18(36):25118-25127. doi: 10.1021/acsnano.4c06937. Epub 2024 Aug 29.

DOI:10.1021/acsnano.4c06937
PMID:39207052
Abstract

The spin-orbit-assisted Mott insulator α-RuCl is proximate to the coveted quantum spin liquid (QSL) predicted by the Kitaev model. In the search for the pure Kitaev QSL, reducing the dimensionality of this frustrated magnet by exfoliation has been proposed as a way to enhance magnetic fluctuations and Kitaev interactions. Here, we perform angle-dependent tunneling magnetoresistance (TMR) measurements on ultrathin α-RuCl crystals with various layer numbers to probe their magnetic, electronic, and crystal structures. We observe a giant change in resistance, as large as ∼2500%, when the magnetic field rotates either within or out of the α-RuCl plane, a manifestation of the strongly anisotropic spin interactions in this material. In combination with scanning transmission electron microscopy, this tunneling anisotropic magnetoresistance (TAMR) reveals that few-layer α-RuCl crystals remain in the high-temperature monoclinic phase at low temperatures. It also shows the presence of a zigzag antiferromagnetic order below the critical temperature ≃ 14 K, which is twice the one typically observed in bulk samples with rhombohedral stacking. Our work offers valuable insights into the relation between the stacking order and magnetic properties of this material, which helps lay the groundwork for creating and electrically probing exotic magnetic phases such as QSLs via van der Waals engineering.

摘要

自旋轨道辅助的莫特绝缘体α-RuCl接近由基塔耶夫模型预测的令人垂涎的量子自旋液体(QSL)。在寻找纯基塔耶夫QSL的过程中,通过剥离降低这种受挫磁体的维度已被提议作为增强磁涨落和基塔耶夫相互作用的一种方法。在此,我们对具有不同层数的超薄α-RuCl晶体进行角度相关的隧穿磁电阻(TMR)测量,以探测它们的磁、电子和晶体结构。当磁场在α-RuCl平面内或平面外旋转时,我们观察到电阻有巨大变化,高达约2500%,这是该材料中强各向异性自旋相互作用的一种表现。结合扫描透射电子显微镜,这种隧穿各向异性磁电阻(TAMR)表明,少层α-RuCl晶体在低温下仍处于高温单斜相。它还显示在临界温度≃14 K以下存在锯齿状反铁磁序,这是在具有菱面体堆叠的块状样品中通常观察到的两倍。我们的工作为这种材料的堆叠顺序与磁性质之间的关系提供了有价值的见解,这有助于为通过范德华工程创建和电探测诸如QSLs等奇异磁相奠定基础。

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