[논문 리뷰] Direct visualization of three-dimensional shape of skyrmion strings in a noncentrosymmetric magnet

S. Seki, Motohiro Suzuki외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 10.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 52인용 수 77

한 줄 요약

이 연구는 새로운 개발된 조절 가능한 자기장 기반 자기극성 X선 단층촬영 시스템을 사용하여 비중심 대칭 자성체(Mn1.4Pt0.9Pd0.1Sn)에서 개별 스카이미온 스트링의 최초 직접 3차원 시각화를 수행한다. 여러 각도에서 XMCD 영상을 확보하고 단층촬영 복원을 수행함으로써 연구자들은 진정된 스카이미온 스트링, 끊어진 형태와 Y자형 구조를 규명하고, 잠재적 분리된 자기모노폴의 특성과 일치하는 점결함을 확인하여 3차원 위상적 스핀 구조와 그 동역학을 직접 관찰할 수 있게 되었다.

ABSTRACT

Magnetic skyrmion, i.e. a topologically stable swirling spin texture, appears as a particle-like object in the two-dimensional (2D) systems, and has recently attracted attention as a candidate of novel information carrier. In the real three-dimensional (3D) systems, a skyrmion is expected to form a string structure along an extra dimension, while its experimental identification has rarely been achieved. Here, we report the direct visualization of 3D shape of individual skyrmion strings, for the recently discovered room-temperature skyrmion-hosting noncentrosymmetric compound Mn1.4Pt0.9Pd0.1Sn. For this purpose, we have newly developed the magnetic X-ray tomography measurement system that can apply magnetic field, which plays a key role on the present achievement. Through the tomographic reconstruction of the 3D magnetization distribution based on the transmission images taken from various angles, a genuine skyrmion string running through the entire thickness of the sample, as well as various defect structures such as the interrupted and Y-shaped strings, are successfully identified. The observed point defect may represent the emergent magnetic monopole, as recently proposed theoretically. The present tomographic approach with tunable magnetic field paves the way for the direct visualization of the structural dynamics of individual skyrmion strings in the 3D space, which will contribute to the better understanding of the creation, annihilation and transfer process of these topological objects toward the potential device applications.

연구 동기 및 목표

• 이론적 예측는 있었지만 실험적으로 미비했던 3차원 자성체에서 스카이미온 스트링의 3차원 형태를 직접 시각화하는 것.
• 깊이 정보가 평균화되는 전통적인 2차원 영상 기술의 한계를 극복하기 위해 측정 중에도 자기장을 유지할 수 있는 자기극성 X선 단층촬영 시스템을 개발하는 것.
• 끊어진 형태와 Y자형 연결 구조와 같은 복잡한 결함 구조를 식별하고 특성화하며, 그 위상적 의미를 평가하는 것.
• 3차원 공간에서 스카이미온 생성, 소멸 및 이동과 같은 동적 과정을 연구할 수 있는 새로운 실험 플랫폼을 구축하는 것.

제안 방법

• 측정 중 자기장을 적용하고 유지할 수 있는 자기극성 X선 단층촬영 시스템을 개발하여, 다양한 각도에서 촬영한 2차원 투과 영상으로부터 3차원 자화 분포를 복원하는 것.
• Pt L3 에지(11.572 keV)에서 원형 편광 X선를 사용한 스캐닝 투과형 X선 현미경(STXM)을 활용하여 X선 자기원추비율( XMCD)을 측정함으로써 자화의 수직 성분에 민감한 정보 확보.
• [001] 축을 중심으로 다양한 기울기 각도(θ)에서 확보한 XMCD 영상로부터 [001] 방향으로 항상 자기장이 정렬된 상태에서 3차원 자화 분포를 단층촬영 복원하는 것.
• 두께 변화가 있는 쐐기형 단일결정 Mn1.4Pt0.9Pd0.1Sn을 사용하여 깊이 해상도 영상 확보 및 복원 정확도 검증.
• D2d 대칭성, 지야로시츠키-모리아 상호작용 및 무작위 자화 이방성 조건을 포함한 마이크로자기 시뮬레이션을 수행하여 관측된 스카이미온 스트링 형태와 결함 구조를 모델링하고 해석하는 것.
• 각도 스캔 중 자기장 및 샘플 정렬을 정밀하게 유지하기 위해 피드백 제어 방식의 회전 스테이지 도입.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 3차원 자성체에서 개별 스카이미온 스트링의 3차원 형태를 직접 시각화할 수 있는가?
• RQ2 비중심 대칭 자성체에서 스카이미온 스트링의 형태적 특성, 특히 끊어진 형태나 Y자형 접합부와 같은 결함의 특성은 어떠한가?
• RQ3 관측된 결함 구조는 이론적으로 예측한 잠재적 자기모노폴과 일치하는가?
• RQ4 조절 가능한 자기장 기반 자기극성 X선 단층촬영 기술이 3차원 스카이미온 동역학 및 위상적 안정성 연구에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 3차원 단층촬영 복원이 성공적으로 Mn1.4Pt0.9Pd0.1Sn 샘플 전후 두께에 걸쳐 진정된 스카이미온 스트링을 시각화하여 3차원 공간에서의 연장된 스트링 특성을 확인하였다.
• 끊어진 스카이미온 스트링이 관측되어 스트링 진화 과정 중 편재 또는 위상 결함 형성이 가능함을 시사하였다.
• Y자형 스카이미온 스트링이 확인되었으며, 접합부에 위치한 점결함이 이론적으로 예측한 잠재적 자기모노폴의 공간적 특성과 일치함을 규명하였다.
• 측정 중 자기장을 유지할 수 있는 자기극성 X선 단층촬영 시스템이 복잡한 자화 구조의 고정밀 3차원 복원을 가능하게 하여 기존 2차원 영상 기술의 한계를 극복하였다.
• 복원된 3차원 자화 프로파일은 자화 모멘트의 수직 성분(mc)을 드러내었으며, 핵심부에서는 반대향 정렬이 명확히 나타나고 가장자리에서는 수평 방향의 회전이 관찰되어 반바이어컬 스카이미온 특성과 일치함을 확인하였다.
• 마이크로자기 시뮬레이션을 통해 관측된 Y자형 구조와 관련된 결함이 위상적으로 안정적이며 자기모노폴과 연관되어 있음을 확인하여 실험 결과를 검증하였다.