DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-58642-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40360492
تاريخ النشر: 2025-05-13
المؤلف: Resham Babu Regmi وآخرون
الموضوع الرئيسي: الكيمياء غير العضوية والمواد
نظرة عامة
تمثل المغناطيسات البديلة (AMs) فئة جديدة من المواد المغناطيسية التي تدمج الخصائص المفيدة من كل من المغناطيسات الحديدية والمغناطيسات المضادة. تحدد هذه الدراسة المغناطيسية البديلة في ثنائي السيلينيد المعدني الانتقالي المكون من طبقات CoNb$_4$Se$_8$، والذي يتميز بترتيب منظم لذرات الكوبالت المدخلة داخل طبقات NbSe$_2$. تم تحقيق تخليق بلورات مفردة، تلاها توصيف هيكلي من خلال حيود البلورات المفردة وميكروسكوبية المسح النفقي. تشير القياسات المغناطيسية إلى وجود مغناطيسية مضادة سهلة المحور تحت 168 كلفن، مع تأكيد حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) أن ترتيب المغناطيسية المضادة من النوع A هو الحالة الأساسية، وهو ما تم تأكيده من خلال تجارب حيود النيوترونات للبلورات المفردة. تكشف بنية النطاق الإلكتروني في هذه الحالة المغناطيسية عن نطاقات مقسومة على أساس الدوران، مما يؤكد وجود المغناطيسية البديلة في CoNb$_4$Se$_8$.
تقدم البنية الطبقية لـ CoNb$_4$Se$_8$ منصة واعدة لاستكشاف الخصائص المتوقعة المختلفة المرتبطة بالمغناطيسية البديلة، وهو أمر حاسم لتقدم التطبيقات السبينترونية التي تهدف إلى تقليل استهلاك الطاقة وتطوير أجهزة أصغر وأسرع. بينما تُعرف المواد المغناطيسية المضادة (AFMs) باستقرارها وديناميكيتها السريعة، فإن نقص المغناطيسية الصافية يمثل تحديات للاستجابات الخارجية. تشير التقدمات النظرية الحديثة إلى أن بعض المواد المغناطيسية المضادة المتوازية يمكن أن تظهر تأثيرات هول غير صفرية غير عادية وتقسيم الدوران لنطاقات الإلكترونات تحت ظروف بلورية محددة، مما يؤدي إلى تصنيف هذه المواد كمغناطيسات بديلة. ومع ذلك، فإن متطلبات التناظر الصارمة تحد من عدد المغناطيسات البديلة المعروفة، حيث تم تحقيق عدد قليل فقط، مثل MnTe وCrSb، تجريبيًا.
طرق
في هذه الدراسة، تم تخليق بلورات مفردة من CoNb\(_4\)Se\(_8\) من خلال طريقة نقل البخار الكيميائي باستخدام اليود كعامل نقل. في البداية، تم إعداد عينة متعددة البلورات عن طريق تسخين كميات متناسبة من الكوبالت والنيوبيوم والسيلينيوم في أمبولة سيليكا مفرغة عند 950 درجة مئوية لمدة خمسة أيام. ثم تم دمج المسحوق الناتج مع اليود وتعرضه لتدرج حراري في فرن أنبوبي أفقي، مما أدى إلى تشكيل بلورات ذات جوانب جيدة على مدى سبعة أيام. تم إجراء توصيف هيكلي باستخدام حيود الأشعة السينية للبلورات المفردة (SC-XRD) في درجة حرارة الغرفة، مع معالجة البيانات باستخدام برنامج APEX3 وتكريرها باستخدام Olex2.
شملت التحقيقات الإضافية ميكروسكوبية المسح النفقي (STM) عند 4.2 كلفن وطيف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS) للتحليل التركيبي. تم تقييم الخصائص المغناطيسية باستخدام نظام قياس الخصائص المغناطيسية من تصميم كمي، بينما تم إجراء قياسات النقل الكهربائي، بما في ذلك المقاومة وتأثير هول، باستخدام طريقة 4 بروب. تم نمذجة التفاعلات المغناطيسية باستخدام هاملتونيان هايزنبرغ، مما يكشف عن تبادل مغناطيسي داخلي حديدي (J\(_{||} \approx 5.8\) meV) وتبادل مغناطيسي مضاد بين الطبقات (J\(_{\perp} \approx 25.6\) meV). تم استخدام حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) لتحسين الهيكل وتحليل نمط المغناطيسية، مما يؤكد قوة النتائج من خلال عدة دفعات من نمو البلورات وتقنيات القياس.
النتائج
تظهر نتائج هذه الدراسة التخليق الناجح لبلورات مفردة من CoNb$_4$Se$_8$، والتي تتميز بهيكل شبكة فائق 2 × 2 في مجموعة الفضاء المركزية P6$_3$/mmc، الناتجة عن إدخال ذرات الكوبالت في 1/4 من الثقوب الثمانية بين طبقات NbSe$_2$. أكد التحليل الهيكلي من خلال حيود الأشعة السينية للبلورات المفردة (SC-XRD) وميكروسكوبية المسح النفقي (STM) الترتيب المنظم لذرات الكوبالت، مع ثابت شبكة يبلغ 6.8 Å. تكشف الخصائص المغناطيسية عن ترتيب مغناطيسي مضاد من النوع A (anti-FM) تحت 168 كلفن، مع وجود أنيسوتروبي كبير في النفاذية المغناطيسية وانقسام بين القياسات المبردة في المجال والقياسات المبردة في عدم وجود مجال، مما يدل على تجمد جدران المجال.
تدعم حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) ترتيب المغناطيسية الملحوظ وتكشف عن وجود نطاقات مقسومة على أساس الدوران، مما يؤكد الطبيعة المغناطيسية البديلة لـ CoNb$_4$Se$_8$. يفي المركب بمعايير المغناطيسية البديلة، والتي تتميز بنقص تناظر الانعكاس في الروابط بين ذرات anti-FM ووجود متجه انتشار صفري. تبرز الدراسة الإمكانية لـ CoNb$_4$Se$_8$ ليكون منصة لاستكشاف ظواهر جديدة عند واجهة المغناطيسية البديلة، والمغناطيسية الحديدية، والتوصيلية الفائقة، خصوصًا من خلال تقنيات مثل طيفية الانبعاث الضوئي الموجهة بالزاوية (ARPES). بالإضافة إلى ذلك، تثير التشوهات الشبكية الملحوظة في طبقة NbSe$_2$ تساؤلات مثيرة حول اقتران الفونون-المغنون وتأثيراته على التفاعلات المغناطيسية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-58642-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40360492
Publication Date: 2025-05-13
Author(s): Resham Babu Regmi et al.
Primary Topic: Inorganic Chemistry and Materials
Overview
Altermagnets (AMs) represent a novel category of magnetic materials that integrate advantageous spintronic properties from both ferromagnets and antiferromagnets. This study identifies altermagnetism in the layered intercalated transition metal diselenide CoNb$_4$Se$_8$, characterized by an ordered arrangement of intercalated Co atoms within NbSe$_2$ layers. The synthesis of single crystals was achieved, followed by structural characterization through single crystal diffraction and scanning tunneling microscopy. Magnetic measurements indicate easy-axis antiferromagnetism below 168 K, with density functional theory (DFT) calculations confirming that A-type antiferromagnetic ordering is the ground state, corroborated by single crystal neutron diffraction experiments. The electronic band structure in this magnetic state reveals spin-split bands, affirming the presence of altermagnetism in CoNb$_4$Se$_8$.
The layered structure of CoNb$_4$Se$_8$ offers a promising platform for exploring various predicted properties associated with altermagnetism, which is crucial for advancing spintronic applications aimed at reducing power consumption and developing smaller, faster devices. While antiferromagnetic materials (AFMs) are recognized for their stability and rapid dynamics, their lack of net magnetization poses challenges for external responses. Recent theoretical advancements suggest that certain collinear AFMs can exhibit non-zero anomalous Hall effects and spin-splitting of electron bands under specific crystallographic conditions, leading to the classification of these materials as altermagnets. However, the stringent symmetry requirements limit the number of identified AMs, with only a few, such as MnTe and CrSb, having been experimentally realized.
Methods
In this study, single crystals of CoNb\(_4\)Se\(_8\) were synthesized through a chemical vapor transport method utilizing iodine as the transport agent. Initially, a polycrystalline sample was prepared by heating stoichiometric amounts of cobalt, niobium, and selenium in an evacuated silica ampule at 950 °C for five days. The resulting powder was then combined with iodine and subjected to a temperature gradient in a horizontal tube furnace, leading to the formation of well-faceted crystals over seven days. Structural characterization was performed using single crystal X-ray diffraction (SC-XRD) at room temperature, with data processed using APEX3 software and refined with Olex2.
Further investigations included scanning tunneling microscopy (STM) at 4.2 K and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) for compositional analysis. Magnetic properties were assessed using a quantum design magnetic property measurement system, while electrical transport measurements, including resistivity and Hall effect, were conducted with a 4-probe method. The magnetic interactions were modeled using a Heisenberg Hamiltonian, revealing ferromagnetic intraplanar exchange (J\(_{||} \approx 5.8\) meV) and antiferromagnetic interplanar exchange (J\(_{\perp} \approx 25.6\) meV). Density functional theory (DFT) calculations were employed for structure optimization and magnetic pattern analysis, confirming the robustness of the findings through multiple crystal growth batches and measurement techniques.
Results
The results of this study demonstrate the successful synthesis of single crystals of CoNb$_4$Se$_8$, characterized by a 2 × 2 superlattice structure in the centrosymmetric space group P6$_3$/mmc, resulting from the intercalation of Co atoms into 1/4 of the octahedral holes between NbSe$_2$ layers. Structural analysis through single crystal X-ray diffraction (SC-XRD) and scanning tunneling microscopy (STM) confirmed the ordered arrangement of Co atoms, with a lattice constant of 6.8 Å. The magnetic properties reveal A-type antiferromagnetic (anti-FM) ordering below 168 K, with significant anisotropy in magnetic susceptibility and a bifurcation between field-cooled and zero-field-cooled measurements, indicative of domain wall freezing.
Density functional theory (DFT) calculations support the observed magnetic ordering and reveal the presence of spin-split bands, confirming the altermagnetic nature of CoNb$_4$Se$_8$. The compound meets the criteria for altermagnetism, characterized by a lack of inversion symmetry in the bonding between anti-FM atoms and a zero propagation vector. The study highlights the potential for CoNb$_4$Se$_8$ to serve as a platform for exploring novel phenomena at the interface of altermagnetism, ferromagnetism, and superconductivity, particularly through techniques such as spin-polarized angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES). Additionally, the lattice distortions observed in the NbSe$_2$ layer raise intriguing questions regarding phonon-magnon coupling and its implications for magnetic interactions.