[논문 리뷰] Emergent chirality in a polar meron to skyrmion phase transition

Yu‐Tsun Shao, Sujit Das외 11명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 12.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 39인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 [PbTiO3/SrTiO3]8 초합성 구조에서 온도와 탄성 경계 조건을 변화시킬 때, 각각의 위상 전하가 −1/2인 극성 머론의 사각형 격자에서 위상 전하가 −1인 스카이머피안 상으로의 가역적인 위상 전이를 입증한다. 고해상도 스캐닝 수렴형 전자 회절을 통해, 변형이 전이를 이끄는 핵심 순서 매개변수임을 규명하였으며, 스카이머피안 상에서는 잠재적 우수성(유사 편극성)이 발생하지만, 머론 상에서는 순수한 우수성의 순서가 없다고 밝혔다.

ABSTRACT

Polar skyrmions are predicted to emerge from the interplay of elastic, electrostatic and gradient energies, in contrast to the key role of the anti-symmetric Dzyalozhinskii-Moriya interaction in magnetic skyrmions. With the discovery of topologically-stable polar skyrmions, it is of both fundamental and practical interest to understand the microscopic nature and the possibility of temperature- and strain-driven phase transitions in ensembles of such polar skyrmions. Here, we explore the reversible transition from a skyrmion state (topological charge of -1) to a two-dimensional, tetratic lattice of merons (with topological charge of -1/2) upon varying the temperature and elastic boundary conditions in [(PbTiO3)16/(SrTiO3)16]8 lifted-off membranes. This topological phase transition is accompanied by a change in chirality, from zero-net chirality (in meronic phase) to net-handedness (in skyrmionic phase). To map these changes microscopically required developing new imaging methods. We show how scanning convergent beam electron diffraction provides a robust measure of the local polarization simultaneously with the strain state at sub-nm resolution, while also directly mapping the chirality of each skyrmion. Using this, we demonstrate strain as a crucial order parameter to drive isotropic-to-anisotropic structural transitions of chiral polar skyrmions to non-chiral merons, validated with X-ray reciprocal space mapping and theoretical phase-field simulations. These results revealed by our new measurement methods provide the first illustration of systematic control of rich variety of topological dipole textures by altering the mechanical boundary conditions, which may offer a promising way to control their functionalities in ferroelectric nanodevices using the local and spatial distribution of chirality and order.

연구 동기 및 목표

• 극성 스카이머피안에서의 위상 전이를 이끄는 미세구조적 메커니즘, 특히 우수성의 발생 원리를 이해하기 위해.
• 온도와 탄성 경계 조건이 서로 다른 위상 텍스처—머론과 스카이머피안—의 안정성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 나노스케일 해상도에서 국소적 분극, 변형, 우수성을 동시에 해상도가 1nm 이하인 해상도로 해상할 수 있는 새로운 영상 기법을 개발하고 적용하기 위해.
• 변형이 페로전자 나노구조에서 위상 전류 텍스처를 제어할 수 있는 조절 가능한 매개변수임을 확립하기 위해.
• 실험적 관측 결과를 단위 격자 상수 분포 분석 및 X선 역공간 맵핑을 통해 검증하기 위해.

제안 방법

• 리프트오프된 [PbTiO3/SrTiO3]16/(SrTiO3)16 초합성 막에서, 1nm 이하의 공간 해상도로 국소적 분극 및 변형을 맵핑하기 위해 스캐닝 수렴형 전자 회절(Scanning Convergent Beam Electron Diffraction, SCBED)을 사용하였다.
• 전자 회절 패atters의 대칭성과 정렬 방향을 분석하여, 스카이머피안의 개별 입자에서 우수성을 직접 영상화할 수 있는 새로운 SCBED 기반 방법을 개발하였다.
• 온도 의존성 측정을 통해 머론 상과 스카이머피안 상 사이의 가역 전이를 탐색하였다.
• 구조적 이방성을 조절하고 등방성에서 이방성으로의 전이를 유도하기 위해 탄성 경계 조건 공학을 적용하였다.
• 실험 결과를 X선 역공간 맵핑을 통해 검증하여, 격자 비틀림과 변형 상태가 예측된 바와 일치함을 확인하였다.
• 이론적 단위 격자 상수 분포 시뮬레이션을 수행하여 에너지 표면과 다양한 변형 및 온도 조건에서의 상 전이 행동을 예측하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 머론에서 스카이머피안으로의 위상 전이 과정에서 극성 스카이머피안의 우수성이 어떻게 발생하는가?
• RQ2 극성 스카이머피안 시스템에서 등방성과 이방성의 우수성 상 사이의 전이를 이끄는 변형의 역할은 무엇인가?
• RQ3 복잡한 산화물 이중구조에서 국소적 분극, 변형, 우수성을 1nm 이하의 해상도로 동시에 영상화할 수 있는가?
• RQ4 온도와 기계적 경계 조건은 페로전자 초합성 구조에서 머론과 스카이머피안의 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 단위 격자 상수 분포 시뮬레이션은 관측된 위상 전이 및 변형 의존적 거동을 어느 정도 정확하게 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 위상 전하 −1/2인 머론의 사각형 격자에서 위상 전하 −1인 스카이머피안 상으로의 전이는 온도와 탄성 경계 조건의 변화에 의해 가역적으로 일어난다.
• 스카이머피안 상은 순우수성(순서가 있는 우수성)을 보이며, 머론 상은 순우수성이 없음을 확인하여, 우수성의 잠재적 발생을 수반한 위상 전이임을 입증한다.
• 스캐닝 수렴형 전자 회절을 통해 개별 스카이머피안에서 국소적 분극, 변형, 우수성을 1nm 이하의 해상도로 직접 맵핑할 수 있었다.
• 변형은 비편극성 머론에서 이방성 스카이머피안 상으로의 전이를 이끄는 핵심 순서 매개변수로 규명되었으며, 이로 인해 스카이머피안 상이 안정화됨을 확인하였다.
• X선 역공간 맵핑을 통해 단위 격자 비틀림과 변형 상태가 단위 격자 상수 분포 시뮬레이션에서 예측한 바와 일치함을 확인하였다.
• 단위 격자 상수 분포 시뮬레이션은 실험적 상도를 성공적으로 재현하여, 탄성, 전기적, 기울기 에너지가 극성 스카이머피안의 안정화에 기여하는 바를 검증하였다.