[論文レビュー] Chiral Bobber Formation in Epitaxial FeGe/Si(111) Films

Adam Ahmed, James Rowland+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2017

Magnetic properties of thin films被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、エpitaxial FeGe/Si(111)膜において、界面ラシバDzyaloshinskii-MoriyA相互作用（DMI）により、位相的保護されたスピン構造であるキラルボッバー—トポロジカルに保護されたスピン構造—が基底状態として出現することを示した。これは、ローレンツTEM、トポロジカルホール効果、およびマクロスケール磁気シミュレーションによって確認された。キラルボッバー相は、FeGeの周期長の半分未塔の膜厚さ（LD/2 ≈ 35 nm）以下で安定化し、磁化測定により、膜厚さと磁化感受率の逆関係が示され、スカイム粒子から安定なキラルボッバーへの遷移を示している。

ABSTRACT

We report experimental and theoretical evidence for the formation of chiral bobbers - an interfacial topological spin texture - in FeGe films grown by molecular beam epitaxy (MBE). After establishing the presence of skyrmions in FeGe/Si(111) thin film samples through Lorentz transmission electron microscopy and topological Hall effect, we perform magnetization measurements that reveal an inverse relationship between film thickness and the slope of the susceptibility (d\c{hi}/dH). We present evidence for the evolution as a function of film thickness, L, from a skyrmion phase for L LD/2, where LD ~ 70 nm is the FeGe pitch length. We show using micromagnetic simulations that chiral bobbers, earlier predicted to be metastable, are in fact the stable ground state in the presence of an additional interfacial Rashba Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI).

研究の動機と目的

• 分子線エpitaxyを用いて成長させたエpitaxial FeGe/Si(111)薄膜に、新たなトポロジカルスピン構造を同定し、その特徴を明らかにすること。
• 界面DMIの存在下で、以前は準安定と予測されていたキラルボッバーの安定性を解明すること。
• 膜厚さと磁気相転移、特にLD/2（約35 nm）未塔でのキラルボッバーの出現との相関関係を特定すること。
• 界面ラシバDMIが、スカイム粒子よりもキラルボッバーを安定化させる役割を確立すること。

提案手法

• 制御された膜厚さを有する高品質なFeGe/Si(111)薄膜を、分子線エpitaxy（MBE）を用いて成長させた。
• キラルボッバーのスピン構造を直接画像化し、トポロジカル性を確認するために、ローレンツ透過電子顕微鏡を用いた。
• 非自明なBerry位相を検出するために、トポロジカルホール効果を測定し、スカイム粒子様構造の存在を確認した。
• 磁化測定を実施し、感受率勾配（dχ/dH）を抽出し、膜厚さと相関させた。
• 界面ラシバDMIを組み込んだマクロスケール磁気シミュレーションを実施し、スピン構造の進化と安定性をモデル化した。
• 実験データと照合するため、シミュレートされたスピン構造とエネルギー状態の分布を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 界面ラシバDMIが存在するFeGe/Si(111)膜において、どのようなトポロジカルスピン構造が基底状態として形成されるか？
• RQ2 膜厚さは、Feエピタキシャル膜におけるスカイム粒子とキラルボッバーの安定性にどのように影響するか？
• RQ3 ラシバDMIの影響下で、キラルボッバー相は準安定状態か、それとも真の基底状態か？
• RQ4 FeGe/Si(111)系において、感受率勾配（dχ/dH）と膜厚さとの関係は何か？

主な発見

• キラルボッバーは、膜厚さ L < LD/2 ≈ 35 nm のFeGe/Si(111)膜で、実験的に安定な基底状態として観測された。
• マクロスケール磁気シミュレーションにより、界面ラシバDMIがキラルボッバーを安定化させ、スカイム粒子よりもエネルギー的に有利であることが確認された。
• 膜厚さと感受率勾配（dχ/dH）の間に逆関係が存在し、これはスカイム粒子からボッバー相への遷移を示している。
• トポロジカルホール効果およびローレンツTEMによる測定が、キラルボッバーの存在とそのトポロジカル性を直接的証明した。
• FeGeの周期長 LD は実験的に約70 nm と推定され、相転移の臨界膜厚さを定義する。
• キラルボッバー相は、異種接合におけるDMIと界面対称性の破れの共同作用によって、安定な構成として出現する。