[論文レビュー] Direct visualization of three-dimensional shape of skyrmion strings in a noncentrosymmetric magnet

S. Seki, Motohiro Suzuki+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 52被引用数 77

ひとこと要約

本研究では、可変磁場を備えた新開発の磁性X線断層撮影システムを用いて、非中心対称磁性体（Mn1.4Pt0.9Pd0.1Sn）における個々のスカイミオンストリングの初の直接的3次元可視化を実現した。複数の角度からXMCD像を取得し、断層再構成を施すことにより、真正のスカイミオンストリング、途切れた構造およびY字型構造を解明し、発現磁気モノポールと整合する点欠陥を同定した。これにより、3次元トポロジカルスピン構造およびその動的挙動の直接観察が可能になった。

ABSTRACT

Magnetic skyrmion, i.e. a topologically stable swirling spin texture, appears as a particle-like object in the two-dimensional (2D) systems, and has recently attracted attention as a candidate of novel information carrier. In the real three-dimensional (3D) systems, a skyrmion is expected to form a string structure along an extra dimension, while its experimental identification has rarely been achieved. Here, we report the direct visualization of 3D shape of individual skyrmion strings, for the recently discovered room-temperature skyrmion-hosting noncentrosymmetric compound Mn1.4Pt0.9Pd0.1Sn. For this purpose, we have newly developed the magnetic X-ray tomography measurement system that can apply magnetic field, which plays a key role on the present achievement. Through the tomographic reconstruction of the 3D magnetization distribution based on the transmission images taken from various angles, a genuine skyrmion string running through the entire thickness of the sample, as well as various defect structures such as the interrupted and Y-shaped strings, are successfully identified. The observed point defect may represent the emergent magnetic monopole, as recently proposed theoretically. The present tomographic approach with tunable magnetic field paves the way for the direct visualization of the structural dynamics of individual skyrmion strings in the 3D space, which will contribute to the better understanding of the creation, annihilation and transfer process of these topological objects toward the potential device applications.

研究の動機と目的

• 理論的予測はなされているが、実験的に未解決のままであった3次元磁性系におけるスカイミオンストリングの3次元的形状を直接可視化すること。
• 深さ情報を平均化してしまう従来の2次元イメージング技術の限界を克服し、測定中に磁場を印加・維持できる磁性X線断層撮影システムの開発。
• 中間的で複雑な欠陥構造（途切れた構造やY字型接合部など）を同定・特徴付け、それらのトポロジカル的意義を評価すること。
• 3次元空間におけるスカイミオンの生成・消滅・輸送といった動的過程を研究するための新しい実験的プラットフォームを確立すること。

提案手法

• 測定中に磁場を印加・維持可能な磁性X線断層撮影システムの開発により、複数の角度から得た2次元透過像から3次元磁化分布を再構成する。
• Pt L3端（11.572 keV）における右回り偏光X線を用いた走査透過X線顕微鏡（STXM）により、磁化の垂直成分に感受性なX線磁気円二色性（XMCD）を測定する。
• [001]軸を中心に様々な傾き角θでXMCD像を取得し、[001]方向に常に磁場を印加した状態で断層再構成を実施。
• 厚さが変化する楔形単結晶Mn1.4Pt0.9Pd0.1Snを用い、深さ方向分解能を確保するとともに再構成の正確性を検証する。
• D2d対称性、ジャローシュキン＝モリスキー相互作用、およびランダムな異方性を含むマクロスケール磁気シミュレーションを用い、観測されたスカイミオンストリングの形状および欠陥構造をモデル化・解釈する。
• 角度スキャン中に磁場および試料の向きの正確な整合を維持するため、フィードバック制御付き回転ステージを導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実際の3次元磁性材料において、個々のスカイミオンストリングの3次元的形状を直接可視化できるか？
• RQ2 非中心対称磁性体におけるスカイミオンストリングの形状的特徴、特に途切れた構造やY字型接合部といった欠陥の特徴は何か？
• RQ3 観測された欠陥構造は、理論で予測される発現磁気モノポールに対応しているか？
• RQ4 可変磁場を備えた磁性X線断層撮影法は、3次元スカイミオンダイナミクスおよびトポロジカル安定性の研究をどのように可能にするか？

主な発見

• 3次元断層再構成により、Mn1.4Pt0.9Pd0.1Sn試料の全厚さにわたり真正のスカイミオンストリングが可視化され、3次元空間におけるストリング状の性質が確認された。
• 途切れたスカイミオンストリングが観測され、ストリングの進化過程におけるピンナップまたはトポロジカル欠陥形成の可能性が示された。
• Y字型のスカイミオンストリングが同定され、接合部に点欠陥が存在し、理論で予測された発現磁気モノポールの空間的特徴と一致した。
• 測定中に磁場を印加可能な磁性X線断層撮影システムにより、複雑な磁化構造の高精度3次元再構成が実現され、2次元イメージングの限界を克服した。
• 再構成された3次元磁化分布から、磁化モーメントの垂直成分（mc）が明らかになった。コア部では明確な反平行配置、縁部では平面内の渦状配列が観察され、反ヴォーテックス型スカイミオンの特徴に一致した。
• マクロスケール磁気シミュレーションにより、観測されたY字型構造および関連欠陥がトポロジカル的に安定しており、磁気モノポールと関連していることが確認され、実験的観察の妥当性が裏付けられた。