[論文レビュー] Emergent electric field induced by dissipative sliding dynamics of domain walls in a Weyl magnet

R. Yamada, Daichi Kurebayashi+11 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2026

Magnetic properties of thin films被引用数 0

ひとこと要約

この論文は、NdAlSi のウェイ磁性体におけるドメイン壁の散逸的・振動的運動が現象電場を誘発し、それを複素インピーダンスの虚数成分として観測できることを示し、滑動優位のモデルで解析している。

ABSTRACT

The dynamic motion of topological defects in magnets induces an emergent electric field, as exemplified by the continuous flow of skyrmion vortices. However, the electrodynamics underlying this emergent field remains poorly understood. In this context, magnetic domain walls - one dimensional topological defects with two collective modes, sliding and spin tilt - offer a promising platform for exploration. Here, we demonstrate that the dissipative motion of domain walls under oscillatory current excitation generates an emergent electric field. We image domain patterns and quantify domain wall length under applied magnetic fields in mesoscopic devices based on the magnetic Weyl semimetal NdAlSi. These devices exhibit exceptionally strong domain wall scattering and a pronounced emergent electric field, observed in the imaginary component of the complex impedance. Spin dynamics simulations reveal that domain wall sliding dominates over spin tilting, where the phase delay of the domain wall motion with respect to the driving force impacts the emergent electric field. Our findings establish domain-wall dynamics as a platform for studying emergent electromagnetic fields and motivate further investigations on the coupled motion of magnetic solitons and conduction electrons.

研究の動機と目的

• 磁性ソリトンからの現象的電磁気学の研究を動機づけ、ドメイン壁を現象場探索のプラットフォームとする。
• AC電流下での散逸的ドメイン壁運動がウェイリ半金属に現象電場を生み出す程度を定量化する。
• ドメイン壁の長さ・密度と輸送特性・インピーダンス応答との関連を描く・評価する。
• 強い散逸下でスピン傾斜よりドメイン壁滑動が支配的となる理論モデルを構築・検証する。
• インピーダンス測定とドメイン壁指標から材料固有パラメータ（例えば減衰）を抽出する。

提案手法

• ドメイン壁の動-dynamics を2つの総合座標でモデル化する：滑動位置 X とスピン傾斜角 φ。
• 質量、内部・外部ピニング、減衰、および電流駆動力を含む X の有効運動方程式を導出する（式(2)）。
• X と φ の電流駆動ダイナミクスを用いて n·(∂_i n × ∂_t n) から現象電場 e_i を計算する。
• 虚数インピーダンス Im ρ_xx を位相遅れを伴う EEF 信号と関連づけ、その符号と周波数依存性を分析する。
• ドメイン壁の長さと密度を評価する MFM イメージングを用い、背景を引き算してドメイン壁抵抗率 ρ_xx^DW を抽出する。
• 支配的な滑動（Ω_int ≪ Ω_ext）領域で得られる結果を、散逸支配型の解釈として適合・解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NdAlSi においてドメイン壁のダイナミクスを介して振動電流が現象電場をどのように誘発するのか？
• RQ2 散逸の下で EEF を生み出す際、ドメイン壁滑動とスピン傾斜の役割はどう異なるのか？
• RQ3 虚数成分の複素インピーダンスはドメイン壁密度とピニングとどう関連するのか？
• RQ4 滑動優位の簡約モデルは見かけの Im ρ_xx と周波数全体での符号を再現できるのか？
• RQ5 減衰 α などの材料パラメータをインピーダンスおよびドメイン壁測定から抽出できるのか？

主な発見

• 虚数インピーダンス Im ρ_xx はドメイン壁のデピニング場 B_d 未満でベル型の異常を示し、ドメイン壁動力学による現象電場が大きいことを示す。
• ドメイン壁抵抗率 ρ_xx^DW は最大で 1.6 μΩ cm に達し、総抵抗の約5%程度を占め、ゼロ場冷却で約10% に増大することがある。
• 数値的モデリングは、滑動モードが支配的な範囲で Im ρ_xx が負となることを示し、散逸駆動のダイナミクスを強調する。
• Gilbert 減衰 α は約 10^-3 ～ 10^-4 と推定され、半金属磁性体と整合し、摩擦支配の領域を裏付ける。
• インピーダンスの大きさ（Q および Q^DW）は、ドメイン壁の体積分率が小さいにもかかわらず、ドメイン壁動力学からの現象電場寄与を測定可能であることを示す。
• 場依存性は、ドメイン壁長の増加が Im ρ_xx の大きさと相関し、ピニング強度が EEF を調節することを示す。