[論文レビュー] Vital role of anisotropy in cubic chiral skyrmion hosts

M. Preißinger, Kosuke Karube+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2020

Magnetic properties of thin films参考文献 45被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、立方晶キラル磁性体 CoZnMn を用いた実験的に立方磁気異方性の役割を定量的に評価し、異方性の強さと性質（⟨100⟩から⟨111⟩への容易軸）が温度および Co/Mn 比に強く依存することを明らかにした。低温における異方性の増強は、ヘリカル q-ベクトルの再配列を引き起こし、準安定スカイム粒子格子（hexagonal から square や rhombohedral に）の格子歪みを引き起こし、スピン緩和率の増加および非調和性と相関する。

ABSTRACT

The impact of magnetic anisotropy on the skyrmion lattice (SkL) state in cubic chiral magnets has been overlooked for long, partly because a semi-quantitative description of the thermodynamically stable SkL phase pocket forming near the Curie temperature could be achieved without invoking anisotropy effects. However, there has been a range of phenomena reported recently in these materials, such as the formation of low-temperature tilted conical and SkL states as well as temperature-induced transformations of lattice geometry in metastable SkL states, where anisotropy was suspected to play a key role. To settle this issue on experimental basis, we quantified the cubic anisotropy in a series of CoZnMn-type cubic chiral magnets. We found that the strength of anisotropy is highly enhanced towards low temperatures in all the compounds, moreover, not only the magnitude but also the character of cubic anisotropy drastically varies upon changing the Co/Mn ratio. We correlate these changes with temperature- and composition-induced variations of the helical modulation vectors, the anharmonicity and structural rearrangements of the metastable SkLs and the spin relaxation rates. Similar systematic studies on magnetic anisotropy may not only pave the way for a quantitative and unified description of the stable and metastable modulated spin textures in cubic chiral magnets but would also help exploring further topological spin textures in this large class of skyrmion hosts.

研究の動機と目的

• 立方晶キラル磁性体におけるスカイム粒子格子（SkL）の安定化および形状決定に無視されがちな磁気異方性の役割を解明すること。
• 異方性がヘリカル q-ベクトルの配向および準安定 SkL 态の対称性に与える影響を調査すること。
• 異方性の変化とスピン緩和率や格子異方性といった構造的・動的性質との相関関係を特定すること。
• 準安定状態における異方性、SkL の幾何学的形状、スピンテクスチャーの進化を統合的に結びつけるフレームワークを確立すること。

提案手法

• (Co0.5Zn0.5)20−xMnx 単結晶を用い、外部磁場依存性中性子回折および強磁性共鳴（FMR）を用いて磁気異方性を測定した。
• q-ベクトルの配向および格子対称性の分析を通じて、温度および組成依存性の立方異方性定数（K1, K2, K4, K6）を追跡した。
• FMRを用いて、SkL 态におけるスピンダイナミクスおよび非調和性のプローブとしてギルバート減衰（α）を抽出した。
• 異方性の進化とヘリカルモードベクトルの変化、格子歪み、スピン緩和率の変化を相関させた。
• 群論および対称性解析を用いて、異方性の性質（⟨100⟩ 対 ⟨111⟩）と SkL 格子幾何学（六角形、正方形、斜方晶）の関係を結びつけた。
• サンプルの品質および磁気転移を確認するため、ロウ法回折および磁化測定を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気異方性は、立方晶キラル磁性体におけるヘリカル q-ベクトルの配向にどのように影響を与えるか？
• RQ2 (Co0.5Zn0.5)20−xMnx システムにおける立方異方性の温度および組成依存性は何か？
• RQ3 低温における異方性の増強は、どのようにして準安定スカイム粒子格子の六角格子から正方形または斜方晶格子への転換を引き起こすか？
• RQ4 異方性は、準安定 SkL 态における非調和性およびスピン緩和にどのように寄与するか？
• RQ5 ギルバート減衰は、スカイム粒子格子におけるトポロジカルスピンテクスチャーの歪みを信頼できる指標として用いることができるか？

主な発見

• 立方異方性の強さは低温に近づくにつれて顕著に増大し、特に Co9Zn9Mn2 および Co10Zn10 で最も顕著な増強を示した。
• Co含有量の増加に伴い、異方性の性質が ⟨100⟩ 型から ⟨111⟩ 型の容易軸へと変化し、特に Co10Zn10 で顕著であった。
• Co10Zn10 では、高次異方性項の寄与により q-ベクトルが ⟨111⟩ 方向に整列し、準安定スカイム粒子格子が六角格子から斜方晶格子に変化した。
• Co7Zn7Mn6、Co8Zn8Mn4、および Co9Zn9Mn2 では、異方性の増強に起因してスカイム粒子が ⟨100⟩ 軸に沿って伸びた正方形格子に進化した。
• q-ベクトルの非調和性および格子歪みと相関するように、歪みを示す準安定 SkL を示す化合物では、低温におけるギルバート減衰（α）が増加した。
• α および |q| ベクトルの温度依存性は類似の傾向を示しており、増強された異方性および Mn スピンフラクチュエーションに起因する共通の微視的起源があると考えられる。