[論文レビュー] A report of (topological) Hall anomaly two decades ago in Gd2PdSi3, and its relevance to the history of the field of Topological Hall Effect due to magnetic skyrmions

E. V. Sampathkumaran|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2019

Magnetic properties of thin films参考文献 2被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、20年前にGd2PdSi3が巨大なトポロジカルホール効果を示したと主張している—当時解釈されなかったが、今では磁性スカイメイonsの証拠として再解釈されている。これは分野の一般的な歴史的認識を揺るがし、この化合物を磁性スカイメイonsによる巨大トポロジカルホール効果の最初の実験的実証と提案する。主な結果は、1999年の初期ホール抵抗率データにスカイメイオン的挙動がすでに存在していたという後向きの認識であり、2019年にKurumajiらによって確認された。

ABSTRACT

The area of magnetic skyrmions, with potential revolution in certain applications, in condensed matter physics is considered about a decade old. In this article, we draw the attention of the community to the recent work of Kurumaji et al [Science 365, 914 (2019)] establishing magnetic skyrmion lattice behavior in Gd2PdSi3. We consider it important to bring out the two decades old history, in particular Hall transport anomalies characterizing magnetic skyrmions. The key experimental data in support of the skyrmion lattice that Kurumaji et al present is the observation of topological Hall resistivity in an intervening field range, following two metamagnetic transitions. In addition, the values are giant, compared to those known for other magnetic skyrmions. We point out here that such features in Hall resistivity data, arising from Gd 4f magnetism, can be found in our publication in 1999 (along with the metamagnetic transitions) and we expressed difficulties in explaining the results at that time. In view of above, we propose to the scientific community that the compound Gd2PdSi3, ex post facto, can be considered as the first experimental demonstration for giant topological Hall effect in this field, discovered about two decades ago. We take this opportunity to share some thoughts, offering clues for further investigations, in particular to identify novel magnetic skyrmions and to find the same to enable applications.

研究の動機と目的

• Gd2PdSi3における巨大トポロジカルホール効果が1999年に観測されたが、当時スカイメイオン物理学の理解が不十分であったため、その意味が認識されなかったことを強調すること。
• Kurumajiら（2019年）によるGd2PdSi3におけるスカイメイオン格子の形成の最近の確認を踏まえ、1999年の実験データを再評価すること。
• 磁性スカイメイonsによる巨大トポロジカルホール効果を示した最初の化合物として、Gd2PdSi3が認識されるべきだと提唱すること。
• 新規の磁性スカイメイonsおよびその応用可能性に関するさらなる研究を促すこと。

提案手法

• Gd2PdSi3に関する1999年の研究におけるホール抵抗率およびメタ磁気転移データの後向き分析。
• 1999年のデータと、同じ化合物における2019年のトポロジカルホール抵抗率およびスカイメイオン格子形成の観察結果の比較。
• 両研究に共通する重要な特徴（巨大トポロジカルホール抵抗率、メタ磁気転移の間のホール異常領域）の同定。
• スカイメイオン誘発Berry位相効果の理論的文脈を用いて、1999年の結果をスカイメイオン秩序の証拠として再解釈すること。
• Gd 4f電子の磁性が観測されたホール異常を生成する役割に焦点を当てる。
• 両研究における実験的シグナル（ホール抵抗率、メタ磁気転移）の一貫性に基づく主張。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ1999年にGd2PdSi3で観測された巨大トポロジカルホール効果は、当時磁性スカイメイonsの証拠として認識されなかったのか？
• RQ2 1999年のデータにスカイメイオン格子の存在を示唆する証拠は何であり、2019年の発見とどのように整合するか？
• RQ3 Gd2PdSi3におけるトポロジカルホール抵抗率の大きさは、他の既知のスカイメイオン系と比較してどうか？
• RQ4 Gd 4f磁性は、この化合物におけるトポロジカルホール効果の生成にどのような役割を果たすか？
• RQ5 類似した磁性挙動を示す他の材料のより古いデータも、スカイメイオン秩序の証拠として再解釈可能だろうか？

主な発見

• 1999年のGd2PdSi3に関する研究では、二つのメタ磁気転移に続く領域でホール抵抗率の異常を報告しており、これは今ではスカイメイオン格子のシグネチャーであると認識されている。
• 1999年に観測されたトポロジカルホール抵抗率の大きさは、他の磁性スカイメイオン系で報告された値と比較して「巨大」とされる。
• 著者は、当時解釈されなかったが、1999年のデータには、今ではスカイメイオン相を同定するために用いられるすべての主要な実験的特徴が含まれていたと主張する。
• 後向き分析に基づき、Gd2PdSi3は磁性スカイメイonsによる巨大トポロジカルホール効果を示した最初の実験的実現と提案される。
• 1999年のデータは、メタ磁気転移の間の明確な中間領域を示す場磁界依存のホール抵抗率挙動を示しており、スカイメイオン形成と整合的である。
• 著者は、他の材料の歴史的データを再評価し、見過ごされたスカイメイオン状態を同定するよう呼びかける。