[論文レビュー] Melting a skyrmion lattice topologically: through the hexatic phase to a skyrmion liquid

Ping Huang, Marco Cantoni+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2018

Magnetic properties of thin films被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、冷凍Lorentz透過電子顕微鏡を用いて、Cu2OSeO3におけるスカイミオン格子の位相的融解を実験的に示した。融解はヘキサティック相を経てスカイミオン液体に至る二段階遷移を示し、2次元磁性系におけるKTHNY理論の予測を裏付け、スカイミオンがバルク材料において頑健な準粒子として粒子的挙動を示すことを確立した。

ABSTRACT

Skyrmions are twirling magnetic textures whose non-trivial topology leads to particle-like properties promising for information technology applications. Perhaps the most important aspect of interacting particles is their ability to form thermodynamically distinct phases from gases and liquids to crystalline solids. Dilute gases of skyrmions have been realized in artificial multilayers, and solid crystalline skyrmion lattices have been observed in bulk skyrmion hosting materials. Yet, to date melting of the skyrmion lattice into a skyrmion liquid has not been reported experimentally. Through direct imaging with cryo-Lorentz transmission electron microscopy, we demonstrate that the skyrmion lattice in the material Cu$_2$OSeO$_3$ can be dynamically melted. Remarkably, we discover this melting process to be a topological defects mediated two-step transition via a theoretically hypothesized hexatic phase to the liquid phase. The existence of hexatic and liquid phases instead of a simple fading of the local magnetic moments upon thermal excitations implies that even in bulk materials skyrmions possess considerable particle nature, which is a pre-requisite for application schemes.

研究の動機と目的

• スカイミオン格子のバルク材料における融解経路を実験的に解明し、スカイミオン格子が熱的または外部磁場による励起で単に「消える」という一般的な見解に挑戦すること。
• スカイミオン格子が、中間のヘキサティック相を経て2次元系におけるKTHNY融解シナリオに類似した位相的相転移を経るかどうかを特定すること。
• 位置的長距離秩序および長距離方位秩序を欠く短距離秩序を示すスカイミオン液体相の存在を確立し、集団的な粒子的挙動を示すこと。
• 相転移中に観察される恒久的な位相的欠陥および相関関数の崩壊ダイナミクスを通じて、バルク材料におけるスカイミオンの粒子的性質を検証すること。

提案手法

• 28 Kで150 nmの単結晶スラブであるCu2OSeO3中のスカイミオン配置を直接イメージングするために、冷凍Lorentz透過電子顕微鏡（LTEM）が用いられた。
• 実空間LTEM像のフーリエ変換を解析し、ブラッグピークパターン、アーク状の特徴、円対称性をそれぞれ固体相、ヘキサティック相、液体相を示すものとして抽出した。
• スカイミオン位置のボロノイタイルレーションを適用し、位相的欠陥（5重および7重配位サイト）を特定し、格子の無秩序度を定量化した。
• 方位秩序パラメータΨ6およびその空間相関関数G6(r)を計算し、固体（長距離秩序）、ヘキサティック（代数的減衰）、液体（指数的減衰）相を区別した。
• LTEMムービーから時間的相関関数G6(t)を抽出し、各相における方位秩序の動的フラクチュエーションを解析した。
• G6(r)およびG6(t)にべき則および指数関数的フィットを適用し、減衰指数を定量し、相転移付近での臨界行動を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 KTHNY理論が予測するように、バルクCu2OSeO3におけるスカイミオン格子は、ヘキサティック相を経て二段階の位相的融解を示すか？
• RQ2 スカイミオン格子と無秩序状態の間の中間相の性質は何か？ また、準長距離方位秩序を示すか？
• RQ3 融解過程における空間的および時間的相関関数の方位秩序の進化は、スカイミオンの粒子的性質をどのように明らかにするか？
• RQ4 スカイミオン液体相は安定化され、特徴づけられるか？ また、長距離秩序を失っても短距離秩序を保持するか？

主な発見

• Cu2OSeO3におけるスカイミオン格子は、二段階の位相的融解遷移を経て融解する：固体（三角格子）→ヘキサティック相（方位秩序の代数的減衰）→液体相（方位秩序の指数的減衰）。
• ヘキサティック相は、H = 1092 Oeにおける方位相関関数G6(r)のべき則的減衰（指数η6 = 0.23）により実験的に確認され、KTHNY臨界値0.25に非常に近い値であった。
• H = 1124 Oeの液体相では、G6(r)が指数的減衰を示し、方位秩序の完全な喪失を示したが、一時的なヘキサティック島に起因する短距離代数的減衰（η6 = 0.76）が依然として観察された。
• 時間的相関関数G6(t)はヘキサティック相でべき則的減衰を示し、液体相に移行する際に指数的減衰へのクロスオーバーを示した。これにより、動的フラクチュエーションおよび長期間秩序の喪失が確認された。
• 融解に伴い、位相的欠陥（5重および7重配位スカイミオン）の密度が増加し、KTHNY機構における拡散欠陥の役割が裏付けられた。
• 結果として、スカイミオンは融解過程中でもその粒子的アイデンティティを保持しており、磁気秩序の単なる消滅ではなく、位相的欠陥によって支配される集団的挙動を示すことが明らかになった。