二維重費米子反鐵磁體 CeSiI 中的玻璃態弛豫動力學研究

核心概念

本研究揭示了二維凡德瓦爾重費米子材料 CeSiI 中，反鐵磁序與具有時間依賴性的玻璃態弛豫動力學之間的複雜交互作用，並提出多極序或自旋玻璃態作為潛在的解釋。

摘要

CeSiI 材料簡介

• CeSiI 是一種由矽烯層夾在兩層鈰離子和碘離子層之間形成的二維凡德瓦爾材料。
• 鈰離子提供局域磁矩，而矽烯和鈰的電子軌道則形成重費米子。

研究發現

• CeSiI 在低於奈爾溫度 (TN = 8 K) 時表現出反鐵磁序。
• 磁阻和霍爾電阻的磁滯回線顯示出時間依賴性，表明存在玻璃態弛豫動力學。
• 這種玻璃態行為可能源於自旋玻璃態或多極序。

實驗方法

• 研究人員使用無空氣和溶劑的製程技術來製造原子級薄的 CeSiI 元件。
• 他們對這些元件進行了低溫磁輸運測量，以研究其磁性和電子特性。

結果分析

• 磁阻和霍爾電阻的磁滯回線在較慢的磁場掃描速率下會減小，表明存在時間依賴性。
• 磁滯回線的均方根值隨時間呈冪律衰減，進一步證明了緩慢的弛豫動力學。
• 磁滯回線的溫度依賴性表明，在 CeSiI 中可能存在多種磁序。

研究意義

• 這項研究為探索二維極限下重費米子材料的奇異特性開闢了新的途徑。
• CeSiI 中觀察到的玻璃態弛豫動力學表明，該材料可能存在多極序或自旋玻璃態等奇異磁性結構。
• 未來需要進一步的研究來充分闡明 CeSiI 中的磁序和 Kondo 效應之間的相互作用。

統計資料

CeSiI 在 ~74 K 開始出現 Kondo 耦合的跡象。
CeSiI 在較低溫度下轉變為重電子態，並在奈爾溫度 TN = 8 K 以下進一步轉變為反鐵磁態。
CeSiI 在兩個亞鐵磁轉變場 |μ0Hm1| ≈ 2.5 T 和 |μ0Hm2| ≈ 4.5 T 處表現出磁阻的急劇變化。
磁滯回線的均方根值隨時間呈冪律衰減，2 L 和 4 L 元件的指數分別為 –2.6 和 –1.3。

引述

"CeSiI is extremely sensitive to air, necessitating meticulous precautions during device fabrication."
"The time-dependent isotropic hysteresis, emerging at TN together with the time-independent anisotropic AFM phase, points to possible exotic magnetic textures in CeSiI, such as multipolar ordering or a spin glass phase."
"Our work provides a route for further experimental investigation of emergent properties of CeSiI such as the quantum criticality and the interplay between the Kondo effect, antiferromagnetism, and exotic magnetic textures in the 2D limit."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Glassy Relaxation Dynamics in the Two-Dimensional Heavy Fermion Antiferromagnet CeSiI

by Kierstin Tor... 於 arxiv.org 11-25-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.14722.pdf

深入探究

CeSiI 中觀察到的玻璃態弛豫動力學是否可以應用於開發新型自旋電子元件？

CeSiI 中觀察到的玻璃態弛豫動力學暗示著其可能應用於新型自旋電子元件，但目前仍處於初步研究階段，需要更多研究來確認其可行性。
潛在應用方向：

自旋玻璃態的應用： CeSiI 中可能存在的自旋玻璃態具有非易失性，意味著其磁狀態可以在移除外加磁場後維持，這對於構建信息存儲元件非常重要。
磁阻變化： CeSiI 的磁阻變化與其磁序密切相關，若能通過調控磁序來控制磁阻，則有望應用於磁傳感器或磁阻式隨機存取記憶體（MRAM）。
低維磁性： CeSiI 作為二維材料，其磁性更容易受到外部因素（如電場、應力）的調控，這為開發新型低維自旋電子元件提供了可能性。
挑戰與未來方向：

深入理解磁序： 目前 CeSiI 的確切磁結構仍未完全確定，需要進一步研究來確認其是否為自旋玻璃態或其他更複雜的磁序。
調控弛豫動力學： 需要找到有效的方法來調控 CeSiI 的玻璃態弛豫動力學，例如通過改變材料厚度、摻雜或外加電場等方式。
元件製備： 需要開發可靠的製備工藝來實現基於 CeSiI 的高品質、可控性強的自旋電子元件。
總之，CeSiI 中的玻璃態弛豫動力學為自旋電子學領域帶來了新的可能性，但要實現其應用仍需克服諸多挑戰。

如果 CeSiI 中的磁序不是反鐵磁序，那麼它對材料的電子特性會有什麼影響？

如果 CeSiI 中的磁序不是反鐵磁序，其電子特性將會產生顯著變化，具體影響取決於實際的磁序類型。以下列舉幾種可能的磁序及其對電子特性的影響：

鐵磁序 (Ferromagnetic order): 如果 CeSiI 表現出鐵磁序，材料將會在沒有外加磁場的情況下表現出自發磁化，並可能在低溫下表現出金屬-絕緣體轉變或巨磁阻效應等特性。
順磁序 (Paramagnetic order): 如果 CeSiI 表現出順磁序，材料將只會在外加磁場下表現出磁性，且磁化強度與外加磁場成正比。這種情況下，CeSiI 的電子特性可能與一般的重費米子金屬相似。
自旋密度波 (Spin density wave): 如果 CeSiI 表現出自旋密度波，材料的電子自旋會在空間上形成周期性的排列，導致費米面發生重構，並可能出現電荷密度波或超導等現象。
自旋玻璃態 (Spin glass state): 如果 CeSiI 表現出自旋玻璃態，材料的磁矩會呈現出無序凍結的狀態，導致其在低溫下表現出磁滯現象、慢弛豫行為以及非爾米液體行為等特性。
總之，CeSiI 的電子特性與其磁序密切相關。如果磁序不是反鐵磁序，材料的電阻、霍爾效應、磁阻以及熱力學性質等都將會發生改變，這為研究 CeSiI 的奇異電子態提供了新的可能性。

在其他二維凡德瓦爾材料中是否也能觀察到類似的玻璃態弛豫動力學？

是的，在其他二維凡德瓦爾材料中也觀察到類似於 CeSiI 的玻璃態弛豫動力學，特別是在具有以下特徵的材料中：

磁性二维材料： 例如 CrI$_3$、Fe$_3$GeTe$_2$ 等，這些材料中由於磁性原子間的交換作用，可能產生自旋玻璃態或其他具有慢弛豫動力學的磁序。
具有強自旋軌道耦合的材料： 例如 WTe$_2$、MoTe$_2$ 等，這些材料中的強自旋軌道耦合會導致電子自旋和晶格的耦合增強，進而影響材料的磁性和弛豫動力學。
莫瑞超晶格： 由不同二維材料堆疊而成的莫瑞超晶格，由於層間相互作用和晶格失配，也可能產生具有慢弛豫動力學的奇異電子態。
以下是一些例子：

CrI$_3$： 在少層 CrI$_3$ 中觀察到磁疇壁的慢弛豫動力學，這與其本徵磁性和層間耦合有關。
Fe$_3$GeTe$_2$： 在薄層 Fe$_3$GeTe$_2$ 中觀察到與自旋玻璃態相關的磁滯現象和慢弛豫行為。
扭曲雙層石墨烯： 在魔角扭曲雙層石墨烯中，觀察到與電子強關聯態相關的慢弛豫動力學。
總之，CeSiI 中觀察到的玻璃態弛豫動力學並非獨特的現象，在其他具有特殊電子結構和磁性的二維凡德瓦爾材料中也可能出現。這為研究低維材料中的奇異磁性和電子動力學提供了廣闊的平台。