[論文レビュー] Meron-antimeron crystals in noncentrosymmetric itinerant magnets on a triangular lattice

Satoru Hayami, Ryota Yambe|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 90被引用数 44

ひとこと要約

本論文は、スピン-電荷結合に起因する二乗相互作用（biquadratic interactions）とスピン軌道結合に起因するDzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用の相乗効果によって、三角格子上の非中心対称な移動電子磁性体においてメロン-アンチメロン結晶（MAX）が安定化可能であると提案している。有効スピン模型を用いたシミュレーテッドアニーリングにより、長方形型および三角形型のMAX相が同定され、特に三角形型MAXは非常に異方的な磁場応答を示し、特定の磁場方向ではスカイム粒子結晶に変化することが分かった。

ABSTRACT

Multiple-$Q$ magnetic states often induce nontrivial topological spin textures, such as a skyrmion and a hedgehog. We theoretically investigate yet another multiple-$Q$ state with topological defects, a meron-antimeron crystal (MAX), represented by a periodic array of the meron and antimeron with a half-integer skyrmion number. Performing simulated annealing for an effective spin model of noncentrosymmetric itinerant magnets on a triangular lattice, we show that rectangular-shaped and triangular-shaped MAXs are stabilized by the interplay between the biquadratic interaction arising from the spin-charge coupling and the Dzyaloshinskii-Moriya interaction arising from the spin-orbit coupling. We also discuss the effect of a magnetic field on the triangular MAX, where highly anisotropic responses against a field direction are found. In particular, we show that the triangular MAX turns into the skyrmion crystal for the fields along the $y$ and $z$ directions, while it is replaced by another chiral state for the field along the $x$ direction. These results would inspire further experimental investigation of the MAXs in itinerant magnets.

研究の動機と目的

• 非中心対称な移動電子磁性体における三角格子上でのメロン-アンチメロン結晶（MAX）の安定性を調査すること。
• 三角形型MAX相の形成を可能にする微視的メカニズムを同定すること。
• 外部磁場に対する三角形型MAXの応答を調査し、磁場方向依存の相転移を特定すること。
• 二乗相互作用およびDzyaloshinskii-Moriya相互作用が、特異な多重-Q状態の安定化に果たす役割を明確にすること。

提案手法

• C6v対称性を持つ三角格子上に、相対論的スピン軌道結合を含むKondo格子ハミルトニアンから導かれる有効スピン模型を構築する。
• 運動量空間に、対称的非等方的RKKY、Dzyaloshinskii-Moriya（DM）、二乗相互作用、および単一イオン異方性相互作用を含める。
• パラメータ空間全域における基底状態を探索するため、シミュレーテッドアニーリングを実施し、安定なMAXおよびSkX相を同定する。
• スカイム粒子数とスピン密度波の重ね合わせを用いてスピン構造を分析し、多重-Q状態を分類する。
• 外部磁場を異なる方向に印加し、三角形型MAXにおける磁場誘発相転移を調査する。
• フーリエ解析およびスピン構造の可視化を用いて、三角形型MAXの3Q状態の性質を特徴付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非中心対称な移動電子磁性体における三角格子上にメロン-アンチメロン結晶（MAX）を安定化させることは可能か？
• RQ2 二乗相互作用およびDzyaloshinskii-Moriya相互作用は、三角形型MAX相の安定化に果たす役割は何か？
• RQ3 外部磁場は、三角形型MAXの安定性およびトポロジーにどのように影響を与えるか？
• RQ4 磁場方向に依存する相転移として、三角形型MAXから他のキラル磁気的状態への遷移はどのようなものか？

主な発見

• 三角形型MAXは、スピン-電荷結合に起因する二乗相互作用とスピン軌道結合に起因するDzyaloshinskii-Moriya相互作用の相乗効果によって安定化される。
• 三角形型MAXは、異なる強度を持つ3つの渦巻き型スピン密度波が重ね合わさった3Q状態として特徴づけられる。
• DM相互作用を増加させると、スカイム粒子数±1を有する三角形型スカイム粒子結晶（SkX）に変化する。
• 二乗相互作用を減少させると、2つの等しい強度を持つ渦巻き型波からなる長方形型MAX相に移行する。
• y軸またはz軸方向の磁場を印加すると、三角形型MAXはスカイム粒子数nsk = ±1を有するスカイム粒子結晶に変化する。
• x軸方向の磁場では、SkXとは異なる特徴的なキラル磁気的秩序が誘発され、非常に異方的な磁場応答が示される。