Fe5GeTe2范德华铁磁体的电子自旋共振研究：揭示易平面磁各向异性增强与自旋动力学机制

研究人员针对二维范德华(vdW)铁磁体Fe5GeTe2的磁各向异性调控难题，通过磁化强度测量和电子自旋共振(ESR)技术，发现其在100 K至居里温度(TC≈262 K)区间存在显著增强的易平面各向异性(EPA)，并揭示了自旋共振场的各向异性反向演化规律。该研究为开发高频自旋电子器件提供了关键材料动态特性依据。

　　

在自旋电子学领域，二维范德华(vdW)磁性材料因其独特的层间耦合和可调控的磁各向异性特性，成为突破传统器件限制的新宠。然而，这类材料普遍面临居里温度(T_C)偏低、磁各向异性机制不明确等挑战。Fe_nGeTe₂家族中，Fe₅GeTe₂虽具有接近室温的T_C（最高达375 K），但其易平面各向异性(EPA)的演化规律与自旋动力学特性尚未阐明，这严重制约了其在GHz频段器件中的应用。

为解决这一科学问题，中国科学院强磁场科学中心等机构的研究人员对Fe₅GeTe₂单晶展开了系统的电子自旋共振(ESR)研究。通过化学气相传输法(CVT)制备单晶样品，结合X射线衍射(XRD)确认晶体结构，利用综合物性测量系统(PPMS)进行磁化强度测试，并在X波段(9.4 GHz)微波频率下开展变温ESR测量。研究发现，当温度低于特征温度T*≈100 K时，材料呈现弱EPA特性；而在T*至T_C区间，EPA效应显著增强。ESR谱显示：平行于ab面(H//ab)的共振场H_r^ab随降温向低场移动，而平行于c轴(H//c)的H_r^c则向高场偏移，这种反常的双向演化源于磁晶各向异性与形状各向异性的竞争机制。该成果发表于《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》，为设计宽带微波自旋器件提供了理论依据。

主要技术方法
研究采用化学气相传输法合成Fe₅GeTe₂单晶，通过X射线衍射验证晶体结构。磁学性质通过综合物性测量系统表征，电子自旋共振测试在X波段(9.4 GHz)微波频率下进行，重点分析了不同晶向(H//ab与H//c)的共振场位移和信号强度变化。

结果与讨论

1. 晶体结构与基本磁性能
   XRD证实样品为R₃m空间群结构，磁化曲线显示H//ab方向的磁化强度始终高于H//c方向，证实EPA的存在。在T*≈100 K处出现磁化强度拐点，暗示自旋重取向转变。

2. ESR各向异性演化
   低于T时ESR信号较弱，而在T-T_C温区出现显著各向异性：H//ab的ESR强度比H//c高3倍以上。共振场H_r^ab从300 K的3.2 kOe降至100 K的2.8 kOe，而H_r^c从2.5 kOe增至3.0 kOe，这种反向移动趋势与典型二维EPA材料行为一致。

3. 机制阐释
   增强的EPA效应源于Fe(1)-Fe(3)位点的自旋-轨道耦合重配置。形状各向异性促使磁矩倾向于ab面排列，而磁晶各向异性在高温区通过热扰动削弱了c轴方向的磁刚度，导致各向异性竞争加剧。

结论与意义
该研究首次通过ESR技术揭示了Fe₅GeTe₂在宽温区(100-262 K)的增强EPA效应及其动态特性，阐明了共振场各向异性反向移动的物理本质。发现的有效吉尔伯特阻尼系数(α_eff)低至0.007（10 K），表明该材料具有优异的微波信号传输性能。这些发现不仅深化了对vdW磁体自旋关联的理解，更为设计基于EPA调控的室温自旋阀、微波滤波器等器件奠定了材料基础。