[論文レビュー] Large Noncollinearity and Spin Reorientation in the Novel Mn2RhSn Heusler Magnet

Olga Meshcheriakova, Stanislav Chadov+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2014

Heusler alloys: electronic and magnetic properties被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、Mn2RhSnが、競合するDzyaloshinskii-Moriya (DM) 相互作用と磁気異方性の結果として、大きなスピンかんつうと温度駆動型スピン再配列転移を示す新しい非反平行ヘースラー磁性体であることを特定した。理論的ミクロ磁気的解析により、約130 nmのヘリカルねじれ長と臨界κ ≈ 0.95を持つスカイメオン安定化領域が明らかとなり、スカイメオン相に近接していることが示唆された。これにより、Mn2RhSnはスカイメオンを活用するスピントロニクス素子の有望な候補となる。

ABSTRACT

Noncollinear magnets provide essential ingredients for the next generation memory technology. It is a new prospect for the Heusler materials, already well known due to the diverse range of other fundamental characteristics. Here, we present a combined experimental and theoretical study of novel noncollinear tetragonal Mn2RhSn Heusler material exhibiting unusually strong canting of its magnetic sublattices. It undergoes a spin-reorientation transition, induced by a temperature change and suppressed by an external magnetic field. Because of the presence of Dzyaloshinskii-Moriya exchange and magnetic anisotropy, Mn2RhSn is suggested to be a promising candidate for realizing the Skyrmion state in the Heusler family.

研究の動機と目的

• 新規の正方晶Mn2RhSnヘースラー化合物における大きな非反平行性の起源を解明すること。
• 温度誘発スピン再配列転移のメカニズムを理解すること。
• ミクロ磁気的モデリングを用いてMn2RhSnがスカイメオン相を有する可能性を評価すること。
• Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用と磁気異方性が非反平行磁気的構造を安定化させる役割を特定すること。
• スカイメオンダイナミクスに基づく将来のスピントロニクス応用を踏まえて、材料の適性を評価すること。

提案手法

• 電子的および磁気的構造を特定するため、実験的・第一原理的理論的分析を統合する。
• Dzyaloshinskii-Moriya (DM) 交換項と異方性項を含む有効ハミルトニアンを用いたミクロ磁気的モデリング。
• ab initio 基底状態データから有効結合定数（A, D, K）を計算する。
• スカイメオン安定性を推定するため、ヘリカルねじれ長Λ = 4πA/|D|を用いる。
• スカイメオン相の存在を予測するため、臨界パラメータκ = π|D|/(4√(A K))を評価する。
• 再配列転移付近の磁気的配置、特に二重ねじれスカイメオンと反強磁性lモードの解析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い反平行Mn–Mn交換結合（J ≈ -20 meV）があるにもかかわらず、Mn2RhSnで大きな非反平行性が生じる原因は何か？
• RQ2 温度がMn2RhSnでスピン再配列転移を誘発するメカニズムは何か？
• RQ3 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用が非反平行磁気的状態を安定化させる役割は何か？
• RQ4 Mn2RhSnはスカイメオン相を有することができるか？どのような条件下か？
• RQ5 磁気異方性とDM結合が、この系におけるスカイメオンの安定性に与える影響は何か？

主な発見

• Mn2RhSnは、近接原子間反平行交換（J ≈ -20 meV）と、主要族元素Zを介した次近隣スピン交換（j）の競合により、大きなスピンかんつう角を示す。
• 材料は、非反平行から反強磁性（FiM）秩序への温度誘発スピン再配列転移を示す。
• ミクロ磁気的モデリングにより、ヘリカルねじれ長Λ ≈ 130 nmが予測され、スカイメオン形成に有利な条件であることが示された。
• 臨界パラメータκ ≈ 0.95は、外部磁場誘発スカイメオン格子形成の閾値（κ > 1.14）に近く、スカイメオン相に近接していることを示唆している。
• 再配列転移付近では、軟らかな反強磁性lモードが強磁性Fモードと共回転し、スカイメオン中心にヴォーテックス様欠陊を形成する。これは、複雑なソリトン的構造の可能性を示している。
• 非対称構造と競合する相互作用が、局在的スカイメオン様磁気的非均質状態の存在を支持している。