Magnetic Order and Symmetry in the 2D Semiconductor CrSBr

自旋电子学 磁矩 铁磁性 凝聚态物理 磁化 磁偶极子 磁力显微镜 磁性半导体 反铁磁性 磁畴 磁性 磁性结构 偶极子 物理 材料科学 量子力学 磁场
作者
Kihong Lee,Avalon H. Dismukes,Evan J. Telford,Ren A. Wiscons,Jue Wang,Xiaodong Xu,Colin Nuckolls,Cory R. Dean,Xavier Roy,Xiaoyang Zhu
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:21 (8): 3511-3517 被引量:307
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.1c00219
摘要

The recent discovery of two-dimensional (2D) magnets offers unique opportunities for the experimental exploration of low-dimensional magnetism4 and the magnetic proximity effects, and for the development of novel magnetoelectric, magnetooptic and spintronic devices. These advancements call for 2D materials with diverse magnetic structures as well as effective probes for their magnetic symmetries, which is key to understanding intralayer magnetic order and interlayer magnetic coupling. Here we apply second harmonic generation (SHG), a technique acutely sensitive to symmetry breaking, to probe the magnetic structure of a new 2D magnetic semiconductor, CrSBr. We find that CrSBr monolayers are ferromagnetically ordered below 146 K, an observation enabled by the discovery of a giant magnetic dipole SHG effect in the centrosymmetric 2D structure. In multilayers, the ferromagnetic monolayers are coupled antiferromagnetically, with the N\'eel temperature notably increasing with decreasing layer number. The magnetic structure of CrSBr, comprising spins co-aligned in-plane with rectangular unit cell, differs markedly from the prototypical 2D hexagonal magnets CrI3 and Cr2Ge2Te6 with out-of-plane moments. Moreover, our SHG analysis suggests that the order parameters of the ferromagnetic monolayer and the antiferromagnetic bilayer are the magnetic dipole and the magnetic toroidal moments, respectively. These findings establish CrSBr as an exciting 2D magnetic semiconductor and SHG as a powerful tool to probe 2D magnetic symmetry, opening the door to the exploration of coupling between magnetic order and excitonic/electronic properties, as well as the magnetic toroidal moment, in a broad range of applications.
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