Evidence of non-collinear spin texture in magnetic moiré superlattices

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作者
Hongchao Xie,Xiangpeng Luo,Zhipeng Ye,Zeliang Sun,Gaihua Ye,Suk Hyun Sung,Haiwen Ge,Shaohua Yan,Fu Yang,Shangjie Tian,Hechang Lei,Kai Sun,Robert Hovden,Rui He,Liuyan Zhao
出处
期刊:Nature Physics [Nature Portfolio]
卷期号:19 (8): 1150-1155 被引量:58
标识
DOI:10.1038/s41567-023-02061-z
摘要

Moir\'e magnetism, parallel with moir\'e electronics that has led to novel correlated and topological electronic states, emerges as a new venue to design and control exotic magnetic phases in twisted magnetic two-dimensional(2D) crystals. Here, we report direct evidence of noncollinear spin texture in 2D twisted double bilayer (tDB) magnet chromium triiodide (CrI$_3$). Using magneto-optical spectroscopy in tDB CrI$_3$, we revealed the presence of a net magnetization, unexpected from the composing antiferromagnetic bilayers with compensated magnetizations, and the emergence of noncollinear spins, originated from the moir\'e exchange coupling-induced spin frustrations. Exploring the twist angle dependence, we demonstrated that both features are present in tDB CrI$_3$ with twist angles from 0.5$^o$ to 5$^o$, but are most prominent in the 1.1$^o$ tDB CrI$_3$. Focusing on the temperature dependence of the 1.1$^o$ tDB CrI$_3$, we resolved the dramatic suppression in the net magnetization onset temperature and the significant softening of noncollinear spins, as a result of the moir\'e induced frustration. Our results demonstrate the power of moir\'e superlattices in introducing novel magnetic phenomena that are absent in natural 2D magnets.
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