Probing ultraweak in-plane magnetic anisotropy within a two-dimensional layered antiferromagnet

凝聚态物理 自旋电子学 铁磁性 反铁磁性 各向异性 磁各向异性 范德瓦尔斯力 材料科学 磁场 铁磁性 物理 磁化 光学 量子力学 分子
作者
Yijie Fan,Yihong Xu,Renji Bian,Ruan Zhang,Junning Mei,Jiaxin Wu,Binghe Xie,Shuangxing Zhu,Yu Chen,Feifan Gu,Ying Liu,Takashi Taniguchi,Kenji Watanabe,Fucai Liu,Xinghan Cai
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:122 (15): e2414668122-e2414668122
标识
DOI:10.1073/pnas.2414668122
摘要

Magnetic anisotropy plays a crucial role in determining the critical behavior and phase transitions in two-dimensional magnetic systems. It is also required for the design of thin-film spintronic devices. Despite its significance, sensing extremely weak anisotropy has proven challenging in van der Waals antiferromagnetic/ferrimagnetic materials. Here, we first employ simulations of micromagnetic energy function in few-layer easy-plane antiferromagnetic systems with a weak additional uniaxial anisotropy and unveil an intriguing even-odd effect closely linked to low-field spin-flop behaviors. We further perform tunneling magneto-conductance measurements on a model 2D antiferromagnetic insulator, CrCl3, exhibiting near-ideal easy-plane anisotropy. The magnetic field-controlled tunneling current at low temperature aligns well with simulated in-plane anisotropic spin-configuration, providing direct experimental evidence for detecting magnetic anisotropy field around 1 mT. Our work creates opportunities for finely characterizing magnetic structures and behaviors in 2D antiferromagnetic/ferrimagnetic systems, with potential applications in spintronics such as data storage and magnetic sensing.
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