[論文レビュー] Microscopic Origin of Interfacial Dzyaloshinskii-Moriya Interaction

Sanghoon Kim, Kohei Ueda+16 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2017

Magnetic properties of thin films参考文献 34被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、強磁性体/重金属ヘテロ構造における界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）の微視的起源を実験的に特定し、DMIが非対称な軌道占有に起因する異方性軌道磁気モーメントおよび磁気双極子モーメントによって生じることを示した。密度汎関数理論およびタイトバインディング計算により、スピン軌道結合と反転対称性の破れが、このメカニズムを通じてキラルなスピン構造を誘導することを確認し、実材料におけるDMIの統一的説明を提供した。

ABSTRACT

Chiral spin textures at the interface between ferromagnetic and heavy nonmagnetic metals, such as Neel-type domain walls and skyrmions, have been studied intensively because of their great potential for future nanomagnetic devices. The Dyzaloshinskii-Moriya interaction (DMI) is an essential phenomenon for the formation of such chiral spin textures. In spite of recent theoretical progress aiming at understanding the microscopic origin of the DMI, an experimental investigation unravelling the physics at stake is still required. Here, we experimentally demonstrate the close correlation of the DMI with the anisotropy of the orbital magnetic moment and with the magnetic dipole moment of the ferromagnetic metal. The density functional theory and the tight-binding model calculations reveal that asymmetric electron occupation in orbitals gives rise to this correlation.

研究の動機と目的

• 強磁性体/重金属ヘテロ構造における界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）の微視的起源を特定すること。
• 理論的予測と実験的観測の間にある長年の不一致を、軌道および磁気双極子モーメントの異方性に結びつけることで解消すること。
• 強磁性金属における軌道磁気モーメントの異方性とDMI強度との直接的な実験的相関を確立すること。
• 第一原理計算およびタイトバインディングシミュレーションを用いて理論モデルを実材料で検証すること。

提案手法

• スピン極化輸送および磁気イメージング技術を用いて、さまざまな強磁性体/重金属バイレイヤーにおけるDMIを実験的に測定すること。
• 強磁性層における軌道磁気モーメントおよびその異方性を計算するための密度汎関数理論（DFT）計算。
• 非対称な軌道占有に起因する電子構造およびDMI寄与をシミュレートするためのタイトバインディングモデルの構築。
• 界面におけるスピン軌道結合効果および反転対称性の破れを分析し、DMIの起源を特定すること。
• 複数の材料系にわたる計算されたDMI値と測定されたDMI強度の相関をとること。
• 微視的電子状態と巨視的DMIとの間のリンクを示す主要な観測量として、磁気双極子モーメントの異方性を用いること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強磁性体/重金属ヘテロ構造における界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用の主な微視的電子的性質は何か？
• RQ2 d軌道における非対称な電子占有は、DMIの形成にどのように寄与するか？
• RQ3 軌道磁気モーメントの異方性は、実験的に測定されたDMI強度とどの程度相関しているか？
• RQ4 第一原理計算は、異なる材料系において観測されたDMIの傾向を再現できるか？
• RQ5 スピン軌道結合と界面における反転対称性の破れは、どのようにDMIメカニズムに共同で寄与するか？

主な発見

• 複数の材料系にわたる実験的測定により、DMI強度が強磁性層における軌道磁気モーメントの異方性と強く相関していることが確認された。
• スピン軌道結合および界面に起因する反転対称性の破れによって引き起こされるd軌道における非対称な電子占有が、直接的にDMIを生成する。
• 密度汎関数理論計算により、軌道磁気モーメントの異方性が界面DMIに主たる寄与をしていることが示され、スピン軌道結合単体による寄与よりも顕著であった。
• タイトバインディングモデルのシミュレーションにより、観測されたDMIの傾向が再現され、軌道の非対称性がDMIメカニズムにおいて果たす役割が検証された。
• 強磁性金属の磁気双極子モーメントは、DMIベクトルと整合する方向性の異方性を示し、直接的な実験的シグネチャーを提供した。
• 本研究は、実材料における界面DMIの根本的要因として、軌道の異方性と非対称な占有が統合された微視的画像を確立した。