[論文レビュー] Néel-type Skyrmion Lattice with Confined Orientation in the Polar Magnetic Semiconductor GaV$_4$S$_8$

I. Kézsmárki, S. Bordács+12 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2015

Magnetic properties of thin films被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、ラホンブル（C₃v）対称性を示す極性磁性半導体GaV₄S₈において、スピンの渦が磁気の容易軸に閉じ込められ、外部磁場によって制御されないネール型スカイミオン格子（SkL）の初回実験的実現を報告している。SkLは広い温度範囲にわたり形成され、呼吸型ペイロクロア格子におけるドイャロシンスキー＝モリヤ相互作用によって駆動される非キラルスピン構造に起因するものであり、SANS、AFM、磁化測定によって確認された。これは非対称でキラルでない系におけるスカイミオン形成の新しいアーキタイプを確立するものである。

ABSTRACT

Following the early prediction of the skyrmion lattice (SkL) - a periodic array of spin vortices - it has been observed recently in various magnetic crystals mostly with chiral structure. Although non-chiral but polar crystals with C$_{nv}$ symmetry were identifed as ideal SkL hosts in pioneering theoretical studies this archetype of SkL has remained experimentally unexplored. Here, we report the discovery of a SkL in the polar magnetic semiconductor GaV$_4$S$_8$ with rhombohedral (C$_{3v}$) symmetry and easy axis anisotropy. The SkL exists over an unusually broad temperature range compared with other bulk crystals and the orientation of the vortices is not controlled by the external magnetic feld but instead confned to the magnetic easy axis. Supporting theory attributes these unique features to a new non-chiral or Néel-type of SkL describable as a superposition of spin cycloids in contrast to the Bloch-type SkL in chiral magnets described in terms of spin helices.

研究の動機と目的

• C₃v対称性を示すキラルでない極性磁性半導体GaV₄S₈においてスカイミオン格子を同定・特徴づけること。
• キラルな結晶構造が存在しない状況下でのスカイミオン形成の起源を解明し、従来のスカイミオン安定性にキラル対称性が必要であるという見解に挑戦すること。
• GaV₄S₈におけるスカイミオン格子が、予測された非キラルスカイミオン理論に従い、外部磁場に依存しない方向性を示すかどうかを特定すること。
• 呼吸型ペイロクロア格子と軌道秩序が、ドイャロシンスキー＝モリヤ相互作用を通じてスカイミオン相を安定化させる役割を解明すること。
• 磁気構造と相転移の実験的測定を通じて、非キラルスカイミオン格子の理論モデルを検証すること。

提案手法

• 小角中性子散乱（SANS）を用いて、25.5 mgの単結晶GaV₄S₈における長波長磁気秩序を調査した。中性子ビームを印加磁場と平行に設定し、サンプルを回転させることでEwald球上での磁気回折ピークをマップした。
• 低温（10 K未満）における磁気ドメインのイメージングに、磁気フォース顕微鏡（MFM）モードを用いた原子間力顕微鏡（AFM）を採用した。磁気コントラストは、散乱的チップ・サンプル相互作用に起因した。
• 磁化率および磁化測定を、[100]、[110]、[111]方向のさまざまな磁場方向に対して単結晶で実施し、磁気相図をマッピングし、磁場誘起相転移を同定した。
• 周期的境界条件を用い、144×144および72×72×8スピン格子を用いた2次元および3次元スピンモデルに対して、モンテカルロシミュレーションを実施した。スピンモデルにはXXZ異方性およびドイャロシンスキー＝モリヤ（DM）相互作用を含めた。
• ドイャロシンスキー＝モリヤ相互作用は、ハミルトニアンにおけるベクトル結合項としてモデル化された：$\mathcal{H}_{\rm DM} = -D\sum_{i} \left[\hat{\bm{y}}\cdot(\bm{m}_{i}\times\bm{m}_{i+\hat{x}}) - \hat{\bm{x}}\cdot(\bm{m}_{i}\times\bm{m}_{i+\hat{y}})\right]$。パラメータは低温磁化およびサイクロイダルピッチデータから導出された。
• 理論的相図は、温度依存比熱および全磁化の解析を通じて構築された。パラメトリック相として、常磁性、強磁性、サイクロイダル、スカイミオン格子相の遷移を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キラルでない極性磁性半導体GaV₄S₈（C₃v対称性を有する）において、構造的キラリティが欠如しているにもかかわらず、スカイミオン格子が形成可能か？
• RQ2 GaV₄S₈におけるスカイミオン格子の外部磁場に依存しない方向性の起源は何か？また、キラル磁性体における磁場チューニング型スカイミオン相とはどのように異なるか？
• RQ3 GaV₄S₈の呼吸型ペイロクロア格子構造が、スピン軌道結合および軌道秩序を通じてスカイミオンテクスチャーの形成にどのように寄与するか？
• RQ4 キラルな格子構造による空間反転対称性の破れが存在しない状況下で、ドイャロシンスキー＝モリヤ相互作用が非キラル（ネール型）スカイミオン格子をどのように安定化させるか？
• RQ5 非キラルスカイミオン格子の理論モデルは、GaV₄S₈における観測された磁気相転移およびスピンテクスチャーを正確に予測できるか？

主な発見

• 極性磁性半導体GaV₄S₈（ラホンブル（C₃v）対称性を有する）において、ネール型スカイミオン格子が実験的に観測された。これは、バルク結晶における非キラルスカイミオン相の初回実現である。
• スカイミオン格子は広い温度範囲（約10 Kから約42 K、構造転移温度まで）にわたり形成され、高い熱的安定性を示している。
• スカイミオンの渦の方向は磁気の容易軸（[111]方向）に閉じ込められており、外部磁場によって制御されない。これは、キラル材料における磁場チューニング型スカイミオンとは明確に異なる。
• 小角中性子散乱（SANS）により、明確に定義された六角形磁気回折パターンが観測され、これはスカイミオン格子と整合的である。磁場印加およびサンプル回転に伴い、ブリaggピークがずれた。
• 8.9 Kでの原子間力顕微鏡（AFM）イメージングにより、異なるラホンブル軸を有する交互な構造的ドメインが観察された。磁気コントラストは10 K未満でのみ観測され、低スピン密度および強いスピンフラクチュエーションを示唆した。
• 理論的モンテカルロシミュレーションにより、スピンのXXZ異方性および軌道秩序を有する系において、ドイャロシンスキー＝モリヤ相互作用がスカイミオン格子状態を安定化することが確認された。ネール型スカイミオンテクスチャーは、ドメイン境界に垂直な平面におけるスピン回転に起因する。