[논문 리뷰] Ferroelectric Skyrmions and a Zoo of Multiferroic Phases in GaV4S8

E. Ruff, S. Widmann외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 01.

Multiferroics and related materials참고 문헌 40인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 GaV4S8가 편극성(Fe)과 자성 질서가 공존하는 세 가지의 별개의 다중반도체 상을 갖는다는 것을 보여주며, 스칼라 구조체(SkL) 상에서는 스핀에 의해 유도된 Fe 편극성이 스칼라 구조체 핵부근에서 강한 공간적 조절을 보임을 밝혀낸다. 이 메커니즘은 스핀 패tern과 결정 대칭성에 기인한 교환 스트레스에 기인하며, 스칼라 구조체의 전기장 제어를 가능하게 하여 고온에서 소모가 없는 전기적으로 구동되는 스칼라 구조체 기반 메모리 장치로의 핵심 단계를 마련한다.

ABSTRACT

Skyrmions are whirl like topological spin objects with high potential for future magnetic data storage. It is a fundamental question, relevant for both basic research and application, if a ferroelectric (FE) polarization can be associated with their magnetic texture and if these objects can be manipulated by electric fields. Here, we study the interplay between magnetism and electric polarization in the lacunar spinel GaV4S8, which undergoes a structural transition associated with orbital ordering at 44 K and reveals a complex magnetic phase diagram below 13 K, including a ferromagnetic (FM), cycloidal, and Neel-type skyrmion lattice (SkL) phase. We found that the orbitally ordered phase of GaV4S8 is FE with a sizable polarization of ~1 {\mu}C/cm2. Moreover, we observed spin-driven excess polarizations in all magnetic phases and, hence, GaV4S8 hosts three different multiferroic phases with coexisting polar and magnetic order. These include the SkL phase where we predict a strong spatial modulation of the FE polarization close to the skyrmion cores. By taking into account the crystal symmetry and spin patterns of the magnetically ordered phases, we identify the exchange striction as the main microscopic mechanism behind the spin-driven FE polarization in each multiferroic phase. Since GaV4S8 is unique among the known SkL host materials due to its polar crystal structure and the observed strong magnetoelectric effect, this study is an important step towards the non-dissipative electric-field control of skyrmions.

연구 동기 및 목표

• lacunar spinel인 GaV4S8에서 자성과 전기 편극성 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 스칼라 구조체와 같은 자성 구조가 GaV4S8에서 전기 편극성을 유도할 수 있는지 확인하기 위해.
• 다중반도체 상에서 스핀에 의해 유도된 편극성의 미세 구조 기원을 규명하기 위해.
• 극성 결정 구조에서 스칼라 구조체의 전기장 제어 가능성을 탐색하기 위해.
• GaV4S8를 고온에서 소모가 없는 스칼라 구조체 제어를 위한 플랫폼으로 확립하기 위해.

제안 방법

• dielectric 및 pyroelectric 기법을 사용하여 GaV4S8의 자기 상도도에서 전기 편극성을 측정함.
• 강자성, 사이클로이드형, Néel형 스칼라 구조체 격자(SkL) 상에서의 결정 대칭성과 스핀 구조를 분석함.
• 교환 스트레스 메커니즘의 이론적 모델링을 통해 스핀에 의해 유도된 다중반도체 성질의 기원을 설명함.
• 대칭성 및 스핀 텍스처 분석을 통해 스칼라 구조체 핵부근의 편극성 조절을 규명함.
• 44 K에서 관측된 궤도 정렬과 물질의 다중반도체 성질 발생 시점 간의 상관관계 규명.
• 군 이론과 스핀-격자 결합을 활용하여 자성 질서와 편극 반응 간의 연관성을 규명함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GaV4S8에서 스칼라 구조체 자성 구조가 전기 편극성을 유도할 수 있는가?
• RQ2 GaV4S8의 다중반도체 상에서 스핀에 의해 유도된 전기 편극성의 미세 기원은 무엇인가?
• RQ3 스칼라 구조체 격자 상에서 편극성은 공간적으로 어떻게 변화하는가. 특히 스칼라 구조체 핵부근에서는 어떻게 되는가?
• RQ4 GaV4S8의 전기 편극 반응은 궤도 정렬에 의해 주로 유도되는가, 아니면 스핀-격자 결합에 의해 주로 유도되는가?
• RQ5 강한 자기전기 결합을 가진 GaV4S8에서 전기장으로 스칼라 구조체를 제어할 수 있는가?

주요 결과

• GaV4S8의 궤도 정렬 상에서는 약 1 μC/cm²의 전기 편극성이 관측됨.
• GaV4S8의 모든 자성 상—강자성, 사이클로이드형, Néel형 스칼라 구조체 격자—에서 스핀에 의해 유도된 초과 편극성이 나타나며, 이는 세 가지 별개의 다중반도체 상임을 확인함.
• 스칼라 구조체 격자 상에서 전기 편극성은 스칼라 구조체 핵부근에서 강한 공간적 조절을 보일 것으로 예측됨.
• 교환 스트레스 메커니즘이 모든 다중반도체 상에서 스핀에 의해 유도된 다중반도체 성질의 주요 미세 기원으로 규명됨.
• GaV4S8는 극성 결정 구조와 강한 자기전기 결합을 갖는 첫 번째 알려진 스칼라 구조체 호스팅 물질로서, 향후 전기장에 의한 스칼라 구조체 제어 가능성을 열어줌.
• 스핀 텍스처, 결정 대칭성, 격자 변형 간의 상호작용이 다중반도체 행동을 이끌며, 이는 고온에서 소모가 없는 스칼라 구조체 제어의 길을 제시함.