[論文レビュー] Emergent chirality in a polar meron to skyrmion phase transition

Yu‐Tsun Shao, Sujit Das+11 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 39被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、[PbTiO3/SrTiO3]8スーパーラティスにおいて、温度および弾性境界条件を変化させることで、極性メロン（トポロジカル数 −1/2 を有する）の四重対称格子からスカイム粒子相（トポロジカル数 −1）への逆転可能なトポロジカル相転移を実証した。高度な走査収束ビーム電子回折を用いて、歪みが相転移を駆動する主要なオーダーパラメータであることが明らかになった。歪みはスカイム粒子相において発現的キラリティを誘導するが、メロン相ではネットキラリティがゼロである。

ABSTRACT

Polar skyrmions are predicted to emerge from the interplay of elastic, electrostatic and gradient energies, in contrast to the key role of the anti-symmetric Dzyalozhinskii-Moriya interaction in magnetic skyrmions. With the discovery of topologically-stable polar skyrmions, it is of both fundamental and practical interest to understand the microscopic nature and the possibility of temperature- and strain-driven phase transitions in ensembles of such polar skyrmions. Here, we explore the reversible transition from a skyrmion state (topological charge of -1) to a two-dimensional, tetratic lattice of merons (with topological charge of -1/2) upon varying the temperature and elastic boundary conditions in [(PbTiO3)16/(SrTiO3)16]8 lifted-off membranes. This topological phase transition is accompanied by a change in chirality, from zero-net chirality (in meronic phase) to net-handedness (in skyrmionic phase). To map these changes microscopically required developing new imaging methods. We show how scanning convergent beam electron diffraction provides a robust measure of the local polarization simultaneously with the strain state at sub-nm resolution, while also directly mapping the chirality of each skyrmion. Using this, we demonstrate strain as a crucial order parameter to drive isotropic-to-anisotropic structural transitions of chiral polar skyrmions to non-chiral merons, validated with X-ray reciprocal space mapping and theoretical phase-field simulations. These results revealed by our new measurement methods provide the first illustration of systematic control of rich variety of topological dipole textures by altering the mechanical boundary conditions, which may offer a promising way to control their functionalities in ferroelectric nanodevices using the local and spatial distribution of chirality and order.

研究の動機と目的

• 極性スカイム粒子におけるトポロジカル相転移を駆動する微視的メカニズム、特にキラリティの出現を理解すること。
• 温度および弾性境界条件が、メロンとスカイム粒子という異なるトポロジカルなテクスチャーを安定化させる役割を調査すること。
• ナノスケールのイメージング技術を新たに開発・適用し、サブナノメートル分解能で局所的な分極、歪み、キラリティを同時に解像可能にすること。
• 歪みがフェロエレクトリックナノ構造におけるトポロジカル双極子テクスチャーを制御可能なパラメータとして機能することを確立すること。
• 実験的観察を位相フィールドシミュレーションおよびX線逆空間マッピングで検証すること。

提案手法

• リフトアップした[PbTiO3/SrTiO3]16/(SrTiO3)16スーパーラティス膜において、走査収束ビーム電子回折（SCBED）を用いて、サブナノメートル空間分解能で局所的分極および歪みをマップした。
• 電子回折パターンの対称性および方位を分析することで、スカイム粒子のキラリティを直接画像化できる新しいSCBEDベースの手法を開発した。
• 温度依存測定を実施し、メロン相とスカイム粒子相の間の逆転可能な遷移を調査した。
• 弾性境界条件のエンジニアリングを適用し、構造的異方性を調整し、等方的から異方的相への遷移を誘導した。
• X線逆空間マッピングを用いて実験結果を検証し、格子歪みおよび歪み状態が位相フィールドシミュレーションで予測したものと一致することを確認した。
• 理論的位相フィールドシミュレーションを実施し、エネルギー状態の地形をモデル化し、歪みおよび温度の変化に伴う相転移挙動を予測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メロンからスカイム粒子へのトポロジカル相転移の過程で、極性スカイム粒子のキラリティはどのようにして出現するか？
• RQ2 歪みは、極性スカイム粒子系における等方的および異方的キラリティ相の間の遷移をどのように駆動するか？
• RQ3 複雑な酸化物ヘテロ構造において、局所的分極、歪み、キラリティをサブナノメートル分解能で同時に画像化できるか？
• RQ4 温度および機械的境界条件は、フェロエレクトリックスーパーラティスにおけるメロンとスカイム粒子の安定性にどのように影響するか？
• RQ5 位相フィールドシミュレーションは、観察されたトポロジカル相転移および歪み依存挙動をどの程度正確に再現できるか？

主な発見

• トポロジカル数 −1/2 を有するメロンの四重対称格子から、トポロジカル数 −1 のスカイム粒子相への遷移は、温度および弾性境界条件に依存して逆転可能である。
• スカイム粒子相はネットキラリティを示すが、メロン相はネットキラリティがゼロであるため、発現的ヘテロクロナリティを伴うトポロジカル遷移であることが示された。
• 走査収束ビーム電子回折により、個々のスカイム粒子において局所的分極、歪み、キラリティをサブナノメートル分解能で直接マッピング可能となった。
• 歪みは、非キラルなメロンからキラルな異方的スカイム粒子相への遷移を駆動する重要なオーダーパラメータであることが特定された。
• X線逆空間マッピングにより、位相フィールドシミュレーションで予測された格子歪みおよび歪み状態が確認された。
• 位相フィールドシミュレーションは、実験的な相図を正確に再現し、弾性エネルギー、静電エネルギー、勾配エネルギーが極性スカイム粒子を安定化させる役割を裏付けた。