[논문 리뷰] Direct control of the skyrmion phase stability by electric field in a magnetoelectric insulator

Alexander Kruchkov, J. S. White외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 17.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 중간 크기의 전기장 (kV/mm)를 사용하여 천체스키르미온 상의 안정성을 직접 전기적으로 제어함으로써, 전자기적 절연체 Cu2OSeO3에서의 천체스키르미온 상 안정성을 입증한다. 소각형 중성자 산란(SANS) 실험과 변동성을 포함한 확장된 평균장 이론을 결합한 결과, 적용된 전기장의 극성에 따라 천체스키르미온 격자 상이 가역적으로 팽창하거나 수축할 수 있음을 보여주며, 이는 전기적으로 구동되는 천체스키르미온 장치의 상안정성을 향상시키는 길을 열어준다.

ABSTRACT

Magnetic skyrmions are topologically protected spin-whirl quasiparticles currently considered as promising components for ultra-dense memory devices. In the bulk they form lattices that are stable over just a few Kelvin below the ordering temperature. This narrow stability range presents a key challenge for applications, and finding ways to tune the SkL stability over a wider phase space is a pressing issue. Here we show experimentally that the skyrmion phase in the magnetoelectric insulator ${ ext{Cu}_2 ext{O} ext{Se} ext{O}_3}$ can either expand or shrink substantially depending on the polarity of a moderate applied electric field. The data are well-described by an expanded mean-field model with fluctuations that show how the electric field provides a direct control of the free energy difference between the skyrmion and the surrounding conical phase. Our finding of the direct electric field control of the skyrmion phase stability offers enormous potential for skyrmionic applications based on a magnetoelectric coupling.

연구 동기 및 목표

• 바닥재료에서의 천체스키르미온 격자(SkL) 상의 안정 범위가 좁아 실용적 응용을 제한하므로 이를 해결하고자 한다.
• 전기장이 전자기적 절연체에서 천체스키르미온 상과 원추형 상 사이의 자유 에너지 차이를 직접 조절할 수 있는지 조사하고자 한다.
• 직접 미세 구조적 탐측을 통해 Cu2OSeO3에서 전기장에 의해 유도된 천체스키르미온 격자 상의 팽창 또는 수축을 실험적으로 검증하고자 한다.
• 평균장 효과와 변동 보정을 모두 포함하는 이론적 프레임워크를 개발하여 전기장 하에서의 상 안정성을 정확히 기술하고자 한다.

제안 방법

• 소각형 중성자 산란(SANS)을 사용하여 천체스키르미온 격자 衍사 패tern을 직접 관측하고, 적용된 전기장 하에서 상 안정성의 변화를 모니터링하였다.
• 이론적 분석에서는 평균장 자유 에너지에 대해 제1차 섭동 이론을 적용하여 전기장이 천체스키르미온 격자에 미치는 영향을 모델링하였다.
• 변동에 기인한 자유 에너지에 대한 새로운 접근법을 개발하였으며, T_C 근처에서 가우시안 변동을 포함하여 임계 모드 기여를 포착하였다.
• 효과적 모델에는 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(D), 헤이젠베르크 스핀 상호작용(J), 전자기적 결합(λ) 등의 매개변수를 포함하였으며, 실험적 값은 SANS 및 자화율 측정에서 유도되었다.
• 전기장 극성의 변화에 따라 위상도를 계산하고, 결과를 실험적 SANS 데이터와 비교하여 모델의 타당성을 검증하였다.
• 전기장의 방향을 천체스키르미온의 비대칭 스핀 구조와 최적의 제어를 위해 [111] 방향으로 설정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기장이 전자기적 절연체에서 천체스키르미온 격자 상의 안정성을 직접 조절할 수 있는가?
• RQ2 전기장은 천체스키르미온 상과 원추형 상 사이의 자유 에너지 차이를 어떻게 변화시키는가?
• RQ3 전기장 제어를 통해 천체스키르미온 상 영역은 어느 정도 팽창하거나 수축할 수 있는가?
• RQ4 온도 변화에 따른 열적 변동은 전기장 하에서 천체스키르미온 상의 안정성 또는 불안정성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 직접적인 미세 구조 영상 촬영을 통해 전기장에 의해 유도된 위상 조절의 이론적 예측을 실험적으로 검증할 수 있는가?

주요 결과

• Cu2OSeO3에서 천체스키르미온 상은 적용된 전기장의 극성에 따라 온도 및 자기장 범위에서 크게 팽창하거나 수축하는 것으로 관측되었다.
• SANS 측정 결과, 천체스키르미온 상 경계에 대한 가역적 이동이 확인되었으며, ±5×10⁶ V/m 전기장에서 상의 영역이 원래 폭의 약 10% 이내로 이동하였다.
• 이론적 모델링 결과, 전기장가 천체스키르미온 격자 자유 에너지에 제1차 이동을 유도하며, 이 크기는 천체스키르미온 상과 원추형 상 사이의 에너지 차이와 비슷한 크기임을 보여주었다.
• 변동 보정이 상 안정성의 정확한 기술을 위해 필수적이었으며, 자유 에너지 차이의 주요 기여는 짧은 파장(ferromagnetic-like) 모드에서 비롯되었다.
• 전자기적 결합 매개변수 λ는 9.23×10⁻⁹ m/V로 추정되었으며, 관측된 전기장 반응과 일치하여 위상 조절의 정량적 예측이 가능하게 하였다.
• 결과적으로 전기장가 온도(T)와 자기장(H)의 넓은 범위에서 천체스키르미온 상 안정성을 가역적으로 제어할 수 있음을 보여주며, 전기적으로 구동되는 천체스키르미온 장치를 위한 실현 가능한 길을 제시하였다.