[論文レビュー] Weak Crystallization of Fluctuating Skyrmion Textures in MnSi

J. Kindervater, Ioannis Stasinopoulos+9 more|Repository KITopen (Karlsruhe Institute of Technology)|Jan 1, 2019

Magnetic properties of thin films被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、スピンギャップのないパラ磁性相においても、10 nsを超える寿命と1000 Åを超える空間スケールを持つ非自明なトポロジカルなスカイリオン構造が、スカイリオン格子転移の前から既に存在することを示している。マルチモードの中性子およびマイクロ波分光法を用いて、転移が弱い結晶化を示すランダウのソフトモード機構に従うことが明らかになった。この中で、揺らぎのある磁化場の三角形モードベクトルは、長距離秩序を持つスカイリオン格子のトポロジカルな巻き付き特性を既に符号化している。

ABSTRACT

We report an experimental study of the emergence of nontrivial topological winding and long-range order across the paramagnetic-to-skyrmion lattice transition in the transition metal helimagnet MnSi. Combining measurements of the susceptibility with small-angle neutron scattering, neutron-resonance spin-echo spectroscopy, and all-electrical microwave spectroscopy, we find evidence of skyrmion textures in the paramagnetic state exceeding 10³ Å, with lifetimes above several 10⁻⁹s. Our experimental findings establish that the paramagnetic-to-skyrmion lattice transition in MnSi is well described by the Landau softmode mechanism of weak crystallization, originally proposed in the context of the liquid-to-crystal transition. As a key aspect of this theoretical model, the modulation vectors of periodic small-amplitude components of the magnetization form triangles that add to zero. In excellent agreement with our experimental findings, these triangles of the modulation vectors entail the presence of the nontrivial topological winding of skyrmions already in the paramagnetic state of MnSi when approaching the skyrmion lattice transition.

研究の動機と目的

• MnSiにおけるパラ磁性相からスカイリオン格子相への転移に伴うトポロジカルなスカイリオン秩序の出現を調査すること。
• 非自明なトポロジカルな巻き付きと長距離秩序が同時に発現するのか、それともスカイリオンに類似した構造がパラ磁性状態に事前に存在するのかを特定すること。
• この転移が、ランダウとブラゾフスキーが提唱したように、液体から固体への転移に類似した弱い結晶化機構に従うのかを検証すること。
• 揺らぎのある多体系{ρ}Qモードが、長距離秩序が成立する前からトポロジカルな特徴を符号化している役割を同定すること。

提案手法

• 遷移付近の動的応答を調べるため、交流磁化率測定を組み合わせる。
• 散乱角が小さい中性子散乱（SANS）を用いて、1000 Åを超える特徴的な長さスケールを持つ揺らぎのある構造を検出する。
• 中性子のスピンエコー共鳴分光法を用いて、揺らぎのある磁化成分の緩和時間を測定し、10 nsを超える寿命を取得する。
• 全電気的マイクロ波分光法を用いて、パラ磁性相における集団モードおよび動的相関を検出する。
• 磁化のフーリエ成分における立方項に注目したランダウの弱い結晶化フレームワークを用いて自由エネルギー関数を解析する：∑_{q1+q2+q3=0} (m_{q1}⋅m_{q2})(m_{q3}⋅m_{q1})δ_{q1+q2+q3,0}。
• 観測された揺らぎのダイナミクスを、約0.4 Tにおけるフラクチュエーション誘発第一級転移と三臨界的挙動を示すブラゾフスキーのシナリオと比較する。

Figure 1: Longitudinal and transverse ac susceptibility. (a)–(d) Colormaps of the real and imaginary part of the longitudinal and transverse susceptibility, $\chi_{\mathrm{ac}}^{\mathrm{L}}$ and $\chi_{\mathrm{ac}}^{\mathrm{T}}$ , for field along $\langle 100\rangle$ after zero-field cooling. Data p

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MnSiのパラ磁性相において、長距離秩序を持つスカイリオン格子が成立する前から、トポロジカルに非自明なスカイリオン構造が存在するか？
• RQ2 パラ磁性相からスカイリオン格子相への転移は、ランダウのソフトモード理論が示す弱い結晶化機構に従うか？
• RQ3 パラ磁性状態における揺らぎのある多体系{ρ}Qモードが、スカイリオン格子のトポロジカルな巻き付き特性を既に保持しているか？
• RQ4 スカイリオン格子秩序の出現は、中間的な磁場領域に三臨界点を有するフラクチュエーション駆動型転移として理解できるか？

主な発見

• パラ磁性相において、1000 Åを超える空間スケールを持つ揺らぎのあるスカイリオン構造が観測され、事前形成されたトポロジカル秩序の存在を示している。
• これらの構造は10 nsを超える寿命を示し、パラ磁性状態における長寿命な動的相関を示している。
• パラ磁性相からスカイリオン格子相への転移は、三角形モードベクトルが運動量空間で閉じた三角形を形成するという、ランダウのソフトモード機構による弱い結晶化によってよく記述できる。
• パラ磁性相においてこのような三角形波数配置が存在することは、長距離秩序が成立する前からも、スカイリオン格子の非自明なトポロジカル巻き付き特性が内在していることを直接示している。
• 転移は約0.4 Tの近辺に三臨界点を示し、ここでは転移が第二級に変わる。これは、ブラゾフスキーのシナリオであるフラクチュエーション誘発第一級転移と整合的である。
• 実験的結果は、スカイリオン格子の主要なトポロジカル特徴が、パラ磁性状態の揺らぎモードにすでに符号化されていることを確認しており、弱い結晶化によるスカイリオン形成の統一的記述を支持している。

Figure 2: Small-angle neutron scattering in an applied magnetic field parallel [ (a)–(c) ] and perpendicular [ (d)–(f) ] to the neutron beam. (a),(d) Typical SANS patterns for temperatures within the skyrmion lattice state, just above $T_{c}$ , and well above $T_{c}$ (from left to right). (b),(e) Te