Large ordered moment with strong easy-plane anisotropy and vortex-domain pattern in the kagome ferromagnet Fe3Sn

凝聚态物理 磁各向异性 磁晶各向异性 磁矩 各向异性 磁化 铁磁性 物理 磁畴 磁场 材料科学 光学 量子力学
作者
L. Prodan,Donald M. Evans,Sinéad M. Griffin,Andreas Östlin,Markus Altthaler,Erik Lysne,Ірина Филиппова,Sergiu Shova,Liviu Chioncel,V. Tsurkan,I. Kézsmárki
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:123 (2) 被引量:2
标识
DOI:10.1063/5.0155295
摘要

We report the structural and magnetic properties of high-quality bulk single crystals of the kagome ferromagnet Fe$_3$Sn. The dependence of magnetisation on the magnitude and orientation of the external field reveals strong easy-plane type uniaxial magnetic anisotropy, which shows a monotonous increase from $K_1=-0.99\times 10^6 J/m^3$ at 300\,K to $-1.23\times10^6 J/m^3$ at 2\,K. Our \textit{ab initio} electronic structure calculations yield the value of total magnetic moment of about 6.9 $\mu_B$/f.u. and a magnetocrystalline anisotropy energy density of 0.406\,meV/f.u. ($1.16\times10^6 J/m^3$) both being in good agreement with the experimental values. The self-consistent DFT computations for the components of the spin/orbital moments indicate that the small difference between the saturation magnetisations measured along and perpendicular to the kagome layers results from the subtle balance between the Fe and Sn spin/orbital moments on the different sites. In zero field, magnetic force microscopy reveals micrometer-scale magnetic vortices with weakly pinned cores that vanish at $\sim$3\,T applied perpendicular to the kagome plane. Our micromagnetic simulations, using the experimentally determined value of anisotropy, well reproduce the observed vortex-domain structure. The present study, in comparison with the easy-axis ferromagnet Fe$_3$Sn$_2$, shows that varying the stacking of kagome layers provides an efficient control over magnetic anisotropy in this family of Fe-based kagome magnets.

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