[論文レビュー] Direct control of the skyrmion phase stability by electric field in a magnetoelectric insulator

Alexander Kruchkov, J. S. White+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2017

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、中程度の電場（kV/mm）を用いて、磁電絶縁体Cu2OSeO3におけるスカイミオン相の安定性を直接電気的に制御することを示した。小角中性子散乱（SANS）実験とフラクチュエーションを含む拡張された平均場理論の組み合わせにより、スカイミオン格子相が印加電場の極性を調整することによって逆転可能に拡張または収縮可能であることが明らかになった。これは、電気駆動型スカイミオンデバイスの相安定性を向上させる道筋を示している。

ABSTRACT

Magnetic skyrmions are topologically protected spin-whirl quasiparticles currently considered as promising components for ultra-dense memory devices. In the bulk they form lattices that are stable over just a few Kelvin below the ordering temperature. This narrow stability range presents a key challenge for applications, and finding ways to tune the SkL stability over a wider phase space is a pressing issue. Here we show experimentally that the skyrmion phase in the magnetoelectric insulator ${ ext{Cu}_2 ext{O} ext{Se} ext{O}_3}$ can either expand or shrink substantially depending on the polarity of a moderate applied electric field. The data are well-described by an expanded mean-field model with fluctuations that show how the electric field provides a direct control of the free energy difference between the skyrmion and the surrounding conical phase. Our finding of the direct electric field control of the skyrmion phase stability offers enormous potential for skyrmionic applications based on a magnetoelectric coupling.

研究の動機と目的

• バルク材料におけるスカイミオン格子（SkL）相の安定範囲が狭いため、実用的応用が制限されているという問題に取り組む。
• 電場が磁電絶縁体におけるスカイミオン相とねじれ相の自由エネルギー差を直接調整できるかどうかを調査する。
• 直接的な顕微鏡的プローブを用いて、Cu2OSeO3におけるスカイミオン格子相空間への電場誘発的拡張または収縮を実験的に検証する。
• 平均場効果とフラクチュエーション補正を両方含む理論的枠組みを構築し、電場下での相安定性を正確に記述する。

提案手法

• スカイミオン格子の回折パターンを直接観察し、印加電場下での相安定性の変化をモニタリングするために、小角中性子散乱（SANS）が用いられた。
• 理論的分析では、平均場自由エネルギーに対する一次元摂動論を用いて、電場がスカイミオン格子に与える影響をモデル化した。
• 臨界モードの寄与を捉えるために、T_C付近でのガウス型フラクチュエーションを組み込んだ、フラクチュエーション誘発自由エネルギーの新しいアプローチが開発された。
• 有効モデルには、ジアロシシュキン＝モリショフスキー相互作用（D）、ヘイゼンベルグスピン交換（J）、磁電結合（λ）といったパラメータが含まれており、SANSおよび磁化率測定から実験的値が導出された。
• 電場の極性を変化させることで相図を計算し、実験的SANSデータと照合することでモデルの妥当性を検証した。
• スピンのキラル構造と最大の結合を得るため、電場を[111]方向に印加した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電場は磁電絶縁体におけるスカイミオン格子相の安定性を直接調整できるか？
• RQ2 電場はスカイミオン相とねじれ相の自由エネルギー差をどのように変化させるか？
• RQ3 スカイミオン相空間は、電場制御によってどの程度拡張または収縮可能か？
• RQ4 熱フラクチュエーションは、電場下でのスカイミオン相の安定化または不安定化にどのような役割を果たすか？
• RQ5 直接的な顕微鏡的イメージングを用いて、電場誘発的相調整の理論的予測を実験的に検証できるか？

主な発見

• Cu2OSeO3におけるスカイミオン相は、印加電場の極性に応じて顕著に拡張または収縮し、温度および磁場範囲の両方で変化が観察された。
• SANS測定により、スカイミオン相境界の逆転可能なシフトが確認され、±5×10⁶ V/mの電場を印加した場合、元の幅の最大10%のシフトが観察された。
• 理論的モデリングにより、電場がスカイミオン格子自由エネルギーに一次元のシフトを誘発することが示され、その大きさはスカイミオン相とねじれ相のエネルギー差と同等のオーダーであった。
• フラクチュエーション補正は、相安定性を正確に記述するために不可欠であり、自由エネルギー差の主な寄与は短波長（フェロ磁性的な）モードに起因していた。
• 磁電結合パラメータλは9.23×10⁻⁹ m/Vとして抽出され、観測された電場応答と整合的であり、相調整の定量的予測が可能になった。
• 本結果により、電場を用いたスカイミオン相の安定性の逆転可能制御が、広いTおよびH範囲で可能であることが示された。これは、電気駆動型スカイミオンデバイスへの実用的ルートを提供する。