Hall-Spannung über dem Feld senkrecht zur Ebene von minus 400 bis plus 400 Millitesla auf dunklem Grund: Eine blaue Hystereseschleife, aufgenommen nach einer Voreinstellung von plus 2,5 Tesla, ist zu negativem Feld verschoben, und eine rote Schleife nach einer Voreinstellung von minus 2,5 Tesla ist zu positivem Feld verschoben; Pfeile markieren jede Verschiebung weg von der gestrichelten Nullfeldlinie.

Forschung · Spintronik

Exchange Bias zwischen rechtwinklig ausgerichteten Magneten, und die Domänenstruktur dahinter

Zwei rechtwinklig zueinander ausgerichtete Magnete, die sich trotzdem gegenseitig festhalten, und eine Pinning-Richtung, die ein Feldpuls statt ein Abkühlvorgang festlegt.

Kurz gesagt

Exchange Bias, also das Festhalten eines Magneten durch einen anderen über eine Grenzfläche hinweg, wird normalerweise zwischen zwei Magneten mit gemeinsamer Achse beschrieben, und seine Richtung wird normalerweise festgelegt, indem das Bauelement im Feld durch einen Ordnungsübergang abgekühlt wird. Diese Arbeit kombinierte zwei Magnete, deren Vorzugsrichtungen senkrecht aufeinander stehen, wo nach diesem Bild keiner den anderen festhalten kann.

CrSBr ist ein Antiferromagnet mit Spins in der Ebene; Fe3GeTe2 (FGT) ist ein Ferromagnet mit Spins senkrecht zur Ebene. Sie koppeln trotzdem.

Vier Felder. Oben links: eine lichtmikroskopische Aufnahme des Bauelements mit farbigen Umrandungen der FGT-, CrSBr- und h-BN-Flocken über blauen und goldenen Kontakten. Oben rechts: zwei Hystereseschleifen der Hall-Spannung über dem Feld senkrecht zur Ebene zwischen minus 400 und 400 Millitesla, eine blaue Schleife nach einer Voreinstellung von plus 2,5 Tesla zu negativem Feld verschoben und eine rote Schleife nach einer Voreinstellung von minus 2,5 Tesla zu positivem Feld verschoben. Unten links: eine graustufige elektronenmikroskopische Querschnittsaufnahme mit einem Maßstab von 20 nm, die eine Platin-Deckschicht über einer CrSBr-Schicht über einer FGT-Schicht zeigt. Unten rechts: eine farbcodierte Karte der magnetischen Induktion desselben Querschnitts mit einem Maßstab von 100 nm, die Schichten CrSBr, FGT und SiO2 durch gelbe gestrichelte Linien markiert; im FGT-Band markiert eine Reihe konzentrischer geschlossener Konturschleifen umlaufende Flussschluss-Domänen. Entgegengesetzte Voreinstellungen verschieben die Schleife in entgegengesetzte Richtungen, und die geschlossenen Konturen im FGT sind die Flussschluss-Domänen, die die Kopplung tragen. Bearbeitet nach Small 21, e06284 (2025), © Wiley-VCH GmbH.

Wie

  • Das Pinning mit einer Voreinstellung von ±2,5 T senkrecht zur Ebene bei der Messtemperatur festgelegt. Hystereseschleifen der Hall-Spannung zeigen einen Bias von etwa ±47 mT bei 10 K, dessen Vorzeichen der Voreinstellung folgt und der bis zur Néel-Temperatur von CrSBr bei 132 K bestehen bleibt.
  • Die Kopplung mit Off-Axis-Elektronenholografie im Querschnitt abgebildet: CrSBr treibt streifenartige Flussschluss-Domänen in FGT, mit Bloch-Wänden durch die Mitte und Abschlusskappen vom Néel-Typ an den Oberflächen.
  • Die asymmetrische Ummagnetisierung durch Domänennukleation reproduziert, mit einem Modell aus fünf Zuständen, aufgebaut aus Grenzflächenaustausch, den beiden konkurrierenden Anisotropien und Dipolfeldern.
  • Kartiert, wo es nicht mehr funktioniert: ein starker Trainingseffekt, und kein Bias senkrecht zur Ebene bei FGT mit 9 bis 12 nm Dicke.

Alleiniger Erstautor. Veröffentlicht in Small 21, e06284 (2025), 10.1002/smll.202506284. Der Analysecode ist auf GitHub öffentlich, als EB-in-FGT_CrSBr-vdW-heterostructure.