Writing and Detecting Topological Charges in Exfoliated Fe5–xGeTe2

自旋电子学 拓扑绝缘体 拓扑(电路) 凝聚态物理 铁磁性 霍尔效应 磁场 范德瓦尔斯力 铁磁性 材料科学 物理 磁化 量子力学 数学 组合数学 分子
作者
Alex Moon,Yue Li,Conor McKeever,Brian Casas,Moisés Bravo,Wenkai Zheng,Juan Macy,Amanda K. Petford‐Long,Gregory T. McCandless,Julia Y. Chan,Charudatta Phatak,Elton J. G. Santos,Luis Balicas
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c09234
摘要

Fe5–xGeTe2 is a promising two-dimensional (2D) van der Waals (vdW) magnet for practical applications, given its magnetic properties. These include Curie temperatures above room temperature, and topological spin textures─TST (both merons and skyrmions), responsible for a pronounced anomalous Hall effect (AHE) and its topological counterpart (THE), which can be harvested for spintronics. Here, we show that both the AHE and THE can be amplified considerably by just adjusting the thickness of exfoliated Fe5–xGeTe2, with THE becoming observable even in zero magnetic field due to a field-induced unbalance in topological charges. Using a complementary suite of techniques, including electronic transport, Lorentz transmission electron microscopy, and micromagnetic simulations, we reveal the emergence of substantial coercive fields upon exfoliation, which are absent in the bulk, implying thickness-dependent magnetic interactions that affect the TST. We detected a "magic" thickness t ≈ 30 nm where the formation of TST is maximized, inducing large magnitudes for the topological charge density (∼6.45 × 1020 cm–2), and the concomitant anomalous (ρxyA,max ≃22.6 μΩ cm) and topological (ρxyu,T 1≃5 μΩ cm) Hall resistivities at T ≈ 120 K. These values for ρxyA,max and ρxyu,T are higher than those found in magnetic topological insulators and, so far, the largest reported for 2D magnets. The hitherto unobserved THE under zero magnetic field could provide a platform for the writing and electrical detection of TST aiming at energy-efficient devices based on vdW ferromagnets.
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