[論文レビュー] Evolution of chiral magnetic textures and their topological Hall signature in Ir/Fe/Co/Pt multilayer films

M. Raju, Alon Yagil+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2017

Magnetic properties of thin films被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、温度（T）および垂直磁場（H）を変化させた際のホール輸送および磁気イメージングを用いて、Ir/Fe/Co/Ptマルチレイヤー膜におけるキラル磁気的テクスチャーの進化とそのトポロジカルホール効果（THE）シグネチャを調査する。トポロジカルホール抵抗率（ρ_TH）が分離したスカイム粒子密度（n_sk）に比例することを示し、THEのベリー位相起源を確認するが、観察されたトポロジカル電荷密度（n_T）に基づく理論予測と比較して、ρ_THが著しく大きいことが判明する。

ABSTRACT

Skyrmions are topologically protected, two-dimensional, localized hedgehogs and whorls of spin. Originally invented as a concept in field theory for nuclear interactions, skyrmions are central to a wide range of phenomena in condensed matter. Their realization at room temperature (RT) in magnetic multilayers has generated considerable interest, fueled by technological prospects and the access granted to fundamental questions. The interaction of skyrmions with charge carriers gives rise to exotic electrodynamics, such as the topological Hall effect (THE), the Hall response to an emergent magnetic field, a manifestation of the skyrmion Berry-phase. The proposal that THE can be used to detect skyrmions needs to be tested quantitatively. For that it is imperative to develop comprehensive understanding of skyrmions and other chiral textures, and their electrical fingerprint. Here, using Hall transport and magnetic imaging, we track the evolution of magnetic textures and their THE signature in a technologically viable multilayer film as a function of temperature ($T$) and out-of-plane applied magnetic field ($H$). We show that topological Hall resistivity ($ ho_\mathrm{TH}$) scales with the density of isolated skyrmions ($n_\mathrm{sk}$) over a wide range of $T$, confirming the impact of the skyrmion Berry-phase on electronic transport. We find that at higher $n_\mathrm{sk}$ skyrmions cluster into worms which carry considerable topological charge, unlike topologically-trivial spin spirals. While we establish a qualitative agreement between $ ho_\mathrm{TH}(H,T)$ and areal density of topological charge $n_\mathrm{T}(H,T)$, our detailed quantitative analysis shows a much larger $ ho_\mathrm{TH}$ than the prevailing theory predicts for observed $n_\mathrm{T}$.

研究の動機と目的

• トポロジカルホール効果（THE）が、技術的に実用可能な磁気マルチレイヤーにおいてスカイム粒子を検出する信頼できる電気的指紋として機能するかを定量的に検証すること。
• 温度（T）および垂直磁場（H）を変化させた際の、分離スカイム粒子密度（n_sk）とトポロジカルホール抵抗率（ρ_TH）との関係を理解すること。
• トポロジカルに非自明なスカイム粒子クラスター（「ウジ」）の形成と、それらが全トポロジカル電荷密度（n_T）およびρ_THに与える寄与を調査すること。
• 特に高スカイム粒子密度において顕著になる、観測されたρ_THと理論的予測との乖離を解明すること。

提案手法

• 温度（T）および垂直磁場（H）をパラメータとして、ホール輸送測定を用いてトポロジカルホール抵抗率（ρ_TH）を抽出する。
• 磁気イメージング（例：ローレンツ透過電子顕微鏡または類似手法）を併用し、分離スカイム粒子およびそれらが「ウジ」として凝集する様子を直接可視化する。
• 磁気イメージングデータから、分離スカイム粒子の面積密度（n_sk）および全トポロジカル電荷密度（n_T）を定量的に評価する。
• ρ_TH(H,T)とn_T(H,T)の比較分析により、THEとトポロジカル電荷の関係を記述する現在の理論モデルの妥当性を検証する。
• 広範なTおよびH範囲におけるρ_THとn_skとの比例関係を検証するためのスケーリング解析を実施する。
• スピンテクスチャーのトポロジカル性を、トポロジカルに非自明なスカイム粒子と自明なスピンスパイラルとを区別することで評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 温度および磁場変動下で、トポロジカルホール抵抗率（ρ_TH）は分離スカイム粒子密度（n_sk）とどのようにスケーリングするか？
• RQ2 スカイム粒子クラスター（「ウジ」）は、全トポロジカル電荷密度（n_T）および観測されたρ_THにどの程度寄与するか？
• RQ3 観測されたn_Tに基づく理論的予測と比較して、測定されたρ_THは定量的に整合しているか？
• RQ4 なぜ、同じn_Tに対して測定されたρ_THは、現在の理論モデルの予測を著しく上回るのか？

主な発見

• 広範な温度（T）および垂直磁場（H）範囲において、トポロジカルホール抵抗率（ρ_TH）は分離スカイム粒子密度（n_sk）に線形に比例し、THEのベリー位相起源を確認する。
• 高スカイム粒子密度において、分離スカイム粒子はトポロジカルに非自明な構造である「ウジ」として凝集し、顕著なトポロジカル電荷を有するが、自明なスピンスパイラルとは異なる。
• ρ_TH(H,T)とトポロジカル電荷の面積密度（n_T）との間には定性的な一致が認められるが、観測されたn_Tに基づく理論的予測と比較して、測定されたρ_THは著しく大きい。
• 測定されたρ_THと理論的期待値との乖離は、相関したスカイム粒子クラスターまたは高次のトポロジカル効果といった、現在のモデルが欠落している寄与要因の存在を示唆する。
• 本研究の結果は、THEがスカイム粒子集団を感受的に探知する有効なプローブであることを裏付けるが、それらの輸送応答を記述する現在の理論枠組みの限界も浮き彫りにする。
• 本研究は、スカイム粒子密度、トポロジカルテクスチャーの形状、電気的応答との直接的な実験的関係を確立し、スピントロニクス素子におけるスカイム粒子検出に向けたTHEの応用を前進させる。