[論文レビュー] Universal spin chirality fluctuation in two-dimensional Ising ferromagnets

Wenbo Wang, Matthew Daniels+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2018

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、SrRuO₃およびVドープSb₂Te₃薄膜の転移温度より上でのトポロジカルホール効果（THE）を用いて、二次元イzeンスフェロ磁性体における普遍的なスピンキラリティフラクチュエーションの直接的証明がなされた。温度、磁場、厚さ、キャリア種の依存性に加え、モンテカルロシミュレーションを用いることで、スピンキラリティフラクチュエーションがこのような系において普遍的であることが示され、超薄膜磁性体におけるトポロジカルスピンテクスチャを探索するための新しいパラダイムが確立された。

ABSTRACT

Non-coplanar spin textures with scalar spin chirality can generate effective magnetic field that deflects the motion of charge carriers, resulting in topological Hall effect (THE), a powerful probe of the ground state and low-energy excitations of correlated systems. However, spin chirality fluctuation in two-dimensional ferromagnets with perpendicular anisotropy has not been considered in prior studies. Herein, we report direct evidence of universal spin chirality fluctuation by probing the THE above the transition temperatures in two different ferromagnetic ultra-thin films, SrRuO$_3$ and V doped Sb$_2$Te$_3$. The temperature, magnetic field, thickness, and carrier type dependences of the THE signal, along with our Monte-Carlo simulations, unambiguously demonstrate that the spin chirality fluctuation is a universal phenomenon in two-dimensional Ising ferromagnets. Our discovery opens a new paradigm of exploring the spin chirality with topological Hall transport in two-dimensional magnets and beyond

研究の動機と目的

• 垂直磁気異方性を示す二次元イゼンスフェロ磁性体におけるスピンキラリティフラクチュエーションの存在と普遍性を調査すること。
• このようなフラクチュエーションがフェロ磁性転移温度より上でも持続するかどうかを明らかにし、それらが秩序状態の基底状態でのみ関連するとの従来の仮定に挑戦すること。
• トポロジカルホール効果を、超薄膜系におけるスピンキラリティフラクチュエーションの信頼できるプローブとして確立すること。
• SrRuO₃およびVドープSb₂Te₃を含む異なる材料間で、現象の普遍性を検証すること。

提案手法

• SrRuO₃およびVドープSb₂Te₃の超薄膜フェロ磁性体において、Curie温度より上でのトポロジカルホール効果（THE）を測定すること。
• THE信号の温度、磁場、膜厚、キャリア種の依存性を測定し、動的なスピンキラリティ行動を抽出すること。
• スピン配置をモデル化し、観測されたTHE信号を再現するためにモンテカルロシミュレーションを実施すること。
• THE信号のスケーリング行動を分析し、スピンキラリティフラクチュエーションの普遍的特性を同定すること。
• 異なる材料間での実験的THE応答を比較し、異なる磁性系において普遍性が確認されることを検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二次元イゼンスフェロ磁性体において、Curie温度より上でもスピンキラリティフラクチュエーションが観測可能か？
• RQ2 THE信号の温度、磁場、膜厚、キャリア種の依存性が、異なる2次元フェロ磁性体材料間で普遍的であるか？
• RQ3 モンテカルロシミュレーションが観測されたTHE信号を再現できるか？ これにより、信号の起源がスピンキラリティフラクチュエーションにあると確認できるか？
• RQ4 トポロジカルホール効果は、無秩序またはフラクチュエーティングな磁性状態におけるスピンキラリティフラクチュエーションを検出する信頼できるプローブとみなせるか？
• RQ5 観測されたフラクチュエーションは、材料固有の詳細に依存しない普遍的なスケーリングを示すか？

主な発見

• SrRuO₃およびVドープSb₂Te₃薄膜において、Curie温度より上でもトポロジカルホール効果（THE）が観測され、動的スピンキラリティフラクチュエーションの存在が示された。
• THE信号は、膜厚やキャリア種にかかわらず普遍的なスケーリング行動を示し、スピンキラリティフラクチュエーションに起因する共通の起源が確認された。
• モンテカルロシミュレーションにより実験的THEデータが再現され、信号がスカラー スピンキラリティを有する非平面スピンテクスチャに起因することが裏付けられた。
• THEの温度および磁場依存性は、長距離磁気秩序ではなく、普遍的なスピンキラリティフラクチュエーションと整合的である。
• 本研究により、垂直異方性を示す二次元イゼンスフェロ磁性体において、スピンキラリティフラクチュエーションが普遍的現象であることが確立された。