Двумерные (2D) ферромагнетики ван-дер-ваальсовых (vdW) материалов — это тонкие магнитные материалы, в которых молекулы или слои удерживаются вместе за счёт слабых сил притяжения, известных как силы ван-дер-ваальса. Эти материалы перспективны для разработки спинтронных устройств — систем, работающих с использованием спина (то есть собственного углового момента) электронов, а не электрического заряда.
Ключевым параметром в контексте намагничивания является так называемый коэффициент затухания Гильберта, который показывает, насколько быстро намагниченность материала теряет энергию и возвращается в состояние равновесия после возмущения. Более низкий коэффициент затухания благоприятен для развития спинтроники, поскольку это означает, что при приведении намагниченности материала в движение теряется меньше энергии.
Исследователи из Пекинского педагогического университета, Шанхайского университета и университета Фудань провели исследование, направленное на лучшее понимание основ низкого затухания Гильберта в двумерных vdW ферромагнетиках.
Их статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters, предполагает, что зеркальная симметрия в этих атомарно тонких материалах блокирует внутриполосковые переходы, что, в свою очередь, приводит к ультранизкому магнитному затуханию.
«Эта работа началась с простого, но глубокого вопроса, который был у меня в голове в течение многих лет: обладают ли двумерные vdW-магниты какими-либо уникальными физическими свойствами, которые отличают их от обычных трёхмерных магнитов, и могут ли эти свойства существенно улучшить высокопроизводительные устройства магнитной памяти или вычислительные устройства с низким энергопотреблением?» — рассказал Phys.org Чжэ Юань, соавтор статьи.
Ключевым преимуществом двумерных vdW ферромагнетиков является то, что они сохраняют магнетизм вплоть до одного атомарно тонкого слоя. В то же время их слоистая, но тонкая структура значительно изменяет поведение электронов, что приводит к появлению явлений, не наблюдаемых в объёмных магнитных материалах.
«Мои коллеги и я изучаем затухание Гильберта более десяти лет, потому что оно играет центральную роль в динамике намагничивания», — сказал Юань. «Подобно тому, как вязкость определяет, насколько быстро колеблющаяся пружина приходит в состояние покоя, затухание Гильберта регулирует, насколько быстро намагниченность возвращается к равновесию. Это также ключевой фактор энергоэффективности спинтронных устройств, поэтому поиск материалов с ультранизким затуханием был давней целью в этой области».
В обычных ферромагнетиках затухание всегда связано с компонентой, похожей на проводимость, возникающей из-за внутриполосковых электронных переходов, и компонентой, похожей на сопротивление, возникающей из-за межполосковых переходов. При повышении температуры первая из этих компонент становится менее заметной, а вторая — более заметной.
«Эта конкуренция создаёт немонотонную температурную зависимость и устанавливает практический нижний предел для затухания — его нельзя уменьшить ниже этого порога», — сказал Юань.
«К нашему удивлению, мы обнаружили, что в некоторых двумерных vdW ферромагнетиках, таких как Fe₃GeTe₂ и Fe₃GaTe₂, внутриполосковый вклад полностью исчезает из-за симметрии, оставляя только межполосковый. Это приводит к чисто монотонной температурной зависимости и предполагает, что затухание может, в принципе, стать сколь угодно малым по мере улучшения качества материала. Это открытие побудило нас подробно изучить это явление».
Основной целью недавнего исследования учёных было пролить новый свет на микроскопический механизм поведения, которое они ранее наблюдали в некоторых двумерных vdW ферромагнетиках. Для этого они выполнили расчёты электронной структуры на основе первых принципов и попытались связать электронную структуру двумерных магнитов с затуханием, используя теоретический метод, известный как так называемый метод корреляции крутящего момента.
Используя эти методы, исследователи смогли продемонстрировать влияние кристаллической симметрии, направления намагничивания, укладки слоёв и топологии зон на затухание магнитов. Они обнаружили, что зеркальная симметрия предотвращает внутриполосковые переходы, что, в свою очередь, позволяет добиться затухания Гильберта без фундаментального нижнего предела.
«Мы объединили расчёты теории функционала плотности с формализмом корреляции крутящего момента — хорошо зарекомендовавшим себя подходом на основе первых принципов для определения внутреннего демпфирования — чтобы вычислить вклад спин-орбитальной связи вблизи поверхности Ферми», — пояснил Юань. «Эффекты температуры и беспорядка были учтены с помощью параметра скорости рассеяния в спектральных функциях. Этот теоретический формализм позволил нам явно разделить вклады внутриполосковых и межполосковых переходов».
Кристаллическая структура некоторых монослойных и многослойных vdW магнитов обладает так называемой зеркальной симметрией. Команда показала, что, когда намагниченность этих магнитов перпендикулярна плоскости, зеркальная симметрия их кристаллической структуры запрещает внутриполосковые переходы, которые обычно вызывают затухание, похожее на проводимость.
«Это устраняет традиционную нижнюю границу затухания, позволяя ему достигать ультранизких значений (в наших расчётах) в чистых условиях», — сказал Юань. «Важно отметить, что это первая теоретическая работа, в которой установлена чёткая количественная связь между симметрией магнитной системы и величиной её затухания Гильберта. Она также даёт практическое правило проектирования: контролируя симметрию — путём изменения направления намагничивания, укладки слоёв или структурных модификаций — можно систематически настраивать величину затухания».
Это исследование открывает новые возможности для идентификации и проектирования двумерных vdW ферромагнетиков с изначально ультранизкими коэффициентами затухания Гильберта. Оно также показывает, что зеркальная симметрия двумерных vdW ферромагнетиков играет решающую роль в обеспечении этого ультранизкого магнитного затухания.
«Мы также показали, что, когда зеркальная симметрия нарушается за счёт наклона намагниченности, внутриполосковый канал вновь появляется, вызывая резкое увеличение затухания», — сказал Юань. «Эта управляемая симметрией анизотропия предлагает новый мощный способ настройки затухания без внесения материального беспорядка и обеспечивает чёткую экспериментальную сигнатуру для проверки наших предсказаний».
Результаты, полученные Юанем и его коллегами, могут иметь важные последствия для разработки спинтронных устройств. Руководя проектированием двумерных vdW магнитов с подавленным симметрией затуханием, эта работа может позволить внедрить более совершенные спинтронные системы, которые будут быстрее, энергоэффективнее и совместимы с существующими наноэлектронными компонентами.
«После этой работы мы преследуем два основных направления исследований», — сказал Юань. «Первое — это изучение других явлений, управляемых симметрией. Мы стремимся изучить, как симметрия влияет на другие ключевые свойства, такие как электрическое сопротивление и преобразование спин-заряд, которые также имеют решающее значение для спинтронных приложений».
Исследователи также планируют расширить свой анализ, включив в него ван-дер-ваальсовы магнитные изоляторы. Это слоистые материалы, удерживаемые вместе силами ван-дер-ваальса, которые не проводят электричество.
«Многие ван-дер-ваальсовы магнитные материалы являются полупроводниками или изоляторами без проводящих электронов на уровне Ферми», — добавил Юань. «В этих системах затухание намагниченности возникает из-за взаимодействий магнон-магнон и магнон-фононов, а не из-за электронных переходов. Мы планируем разработать новые теоретические рамки для количественного описания этих механизмов, чтобы построить единое понимание затухания во всех классах магнитных материалов».
published in Physical Review Letters, suggests that mirror symmetry in these atomically thin materials blocks intraband transitions, which in turn yields ultralow magnetic damping.»,»\»This work began with a simple but profound question that had been on my mind for years: Do 2D vdW magnets possess any unique physical properties that distinguish them from conventional three-dimensional (3D) magnets—and could these properties substantially improve high-performance, low-power magnetic memory or computing devices?\» Zhe Yuan, co-author of the paper, told Phys.org.»,»A key advantage of 2D vdW ferromagnets is that they retain magnetism down to a single atomically thin layer. Concurrently, their layered but thin structure significantly alters the behavior of electrons, prompting the emergence of phenomena that are not observed in bulk magnetic materials.»,»\»My collaborators and I have been studying Gilbert damping for over a decade, because it plays a central role in magnetization dynamics,\» said Yuan.»,»\»Much like viscosity determines how quickly an oscillating spring comes to rest, Gilbert damping governs how fast magnetization relaxes to equilibrium. It is also a key factor in the energy efficiency of spintronic devices, so finding materials with ultralow damping has been a long-standing goal in the field.\»»,»In conventional ferromagnets, damping is always associated with a conductivity-like component emerging from intraband electronic transitions and a resistivity-like component derived from interband transitions. As the temperature rises, the first of these components becomes less prominent, while the second becomes more prominent.»,»\»This competition produces a nonmonotonic temperature dependence and sets a practical lower limit for damping—it cannot be reduced beyond that threshold,\» said Yuan.»,»\»To our surprise, we found that in certain 2D vdW ferromagnets, such as Fe3GeTe2 and Fe3GaTe2, the intraband contribution completely vanishes due to symmetry, leaving only the interband part. This results in a purely monotonic temperature dependence and suggests that the damping can, in principle, become arbitrarily small as the material quality improves. That exciting realization drove us to investigate the phenomenon in depth.\»»,»The primary goal of the researchers’ recent study was to shed new light on the microscopic origin of the behavior that they previously observed in some 2D vdW ferromagnets. To do this, they performed first-principle electronic structure calculations and tried to connect the electronic structure of the 2D magnets to the damping using a theoretical method known as a so-called torque-correlation framework.»,»Using these methods, the researchers were able to demonstrate the influence of crystal symmetry, magnetization direction, layer stacking and band topology on the magnets’ damping. They found that mirror symmetry prevents intraband transitions, which in turn enables Gilbert damping with no fundamental lower limit.»,»\»We combined density-functional theory calculations with a torque-correlation formalism—a well-established first-principles approach for intrinsic damping—to compute the contribution of spin-orbit coupling near the Fermi surface,\» explained Yuan.»,»\»Temperature and disorder effects were included through a scattering-rate parameter in the spectral functions. This theoretical formalism allowed us to separate the intraband and interband contributions explicitly.\»»,»The crystal structure of some monolayer and few-layer vdW magnets follows a so-called mirror symmetry. The team showed that when the magnetization of these magnets is perpendicular to the plane, their crystal structure’s mirror symmetry forbids intraband transitions that typically prompt conductivity-like damping.»,»\»This removes the conventional lower bound on damping, allowing it to reach ultralow values ( in our calculations) under clean conditions,\» said Yuan.»,»\»Importantly, this is the first theoretical work to establish a clear, quantitative link between the symmetry of a magnetic system and the magnitude of its Gilbert damping. It also provides a practical design rule: by controlling symmetry—through magnetization direction, layer stacking, or structural modifications—one can systematically tune the damping strength.\»»,»This study opens new possibilities for identifying and designing 2D vdW ferromagnets with intrinsically ultralow Gilbert damping coefficients. It also shows that the mirror symmetry of 2D vdW ferromagnets plays a crucial role in enabling this ultralow magnetic damping.»,»\»We also showed that when mirror symmetry is broken by tilting the magnetization, the intraband channel re-emerges, causing the damping to increase dramatically,\» said Yuan.»,»\»This symmetry-controlled anisotropy offers a powerful new way to tune damping without introducing material disorder, and it provides a clear experimental signature for verifying our predictions.\»»,»The results gathered by Yuan and his colleagues could have important implications for the development of spintronic devices. By guiding the design of 2D vdW magnets with symmetry-suppressed damping, the work could enable the introduction of more advanced spintronic systems that are faster, more energy-efficient and compatible with existing nanoelectronic components.»,»\»Following this work, we are pursuing two main research directions,\» said Yuan. \»The first is to explore other symmetry-governed phenomena. We aim to study how symmetry influences other key properties, such as electrical resistivity and spin-charge conversion, which are also central to spintronic applications.\»»,»The researchers are now also planning to extend their analyses to also include vdW magnetic insulators. These are layered materials held together by vdW forces that do not conduct electricity.»,»\»Many vdW magnetic materials are semiconductors or insulators without conduction electrons at the Fermi level,\» added Yuan.»,»\»In these systems, magnetization damping arises from magnon-magnon and magnon-phonon interactions rather than electronic transitions. We plan to develop new theoretical frameworks to describe these mechanisms quantitatively, to build a unified understanding of damping across all classes of magnetic materials.\»»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t © 2025 Science X Network\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t «,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Atomic and Condensed Matter\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник