[논문 리뷰] Meron-antimeron crystals in noncentrosymmetric itinerant magnets on a triangular lattice

Satoru Hayami, Ryota Yambe|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 07.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 90인용 수 44

한 줄 요약

이 논문은 삼각형 격자 위의 비중심적 이td리트 전자 자성체에서 스핀-전하 결합으로 인한 이차형 상호작용과 스핀-오비트 결합으로 인한 Dzyaloshinskii-Moriya (DM) 상호작용 간의 상호작용을 통해 메론-암티메론 결정(MAX)이 안정화될 수 있음을 제안한다. 효과적인 스핀 모델에 대해 시뮬레이션 냉각을 수행한 결과, 직사각형 및 삼각형 MAX 상을 모두 규명하였으며, 삼각형 MAX는 매우 이방성인 외부 자기장 응답을 보이며 특정 자기장 방향에서는 스카이크리스탈(SkX)로 전이된다.

ABSTRACT

Multiple-$Q$ magnetic states often induce nontrivial topological spin textures, such as a skyrmion and a hedgehog. We theoretically investigate yet another multiple-$Q$ state with topological defects, a meron-antimeron crystal (MAX), represented by a periodic array of the meron and antimeron with a half-integer skyrmion number. Performing simulated annealing for an effective spin model of noncentrosymmetric itinerant magnets on a triangular lattice, we show that rectangular-shaped and triangular-shaped MAXs are stabilized by the interplay between the biquadratic interaction arising from the spin-charge coupling and the Dzyaloshinskii-Moriya interaction arising from the spin-orbit coupling. We also discuss the effect of a magnetic field on the triangular MAX, where highly anisotropic responses against a field direction are found. In particular, we show that the triangular MAX turns into the skyrmion crystal for the fields along the $y$ and $z$ directions, while it is replaced by another chiral state for the field along the $x$ direction. These results would inspire further experimental investigation of the MAXs in itinerant magnets.

연구 동기 및 목표

• 삼각형 격자 위의 비중심적 이td리트 전자 자성체에서 메론-암티메론 결정(MAX)의 안정성을 조사한다.
• 삼각형 MAX 상의 형성에 기여하는 미시적 메커니즘을 규명한다.
• 삼각형 MAX가 외부 자기장에 미치는 반응을 탐색하고, 자기장 방향에 따라 달라지는 상전이를 규명한다.
• 이차형 상호작용과 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용이 특이한 다중-Q 상태를 안정화시키는 데 수행하는 역할을 명확히 한다.

제안 방법

• C6v 대칭성을 가진 삼각형 격자에서 상대론적 스핀-오비트 결합을 포함한 Kondo 격자 해밀토니안에서 유도된 효과적인 스핀 모델을 수립한다.
• 모멘텀 공간에서 대칭적인 이방성 RKKY, Dzyaloshinskii-Moriya(DM), 이차형, 그리고 단일 이온 이방성 상호작용을 포함한다.
• 모든 매개변수 공간에서 안정한 MAX 및 SkX 상을 규명하기 위해 시뮬레이션 냉각을 수행한다.
• 다중-Q 상태를 분류하기 위해 스카이크리스탈 수와 스핀 밀도파의 초월을 분석한다.
• 외부 자기장을 다양한 방향으로 적용하여 삼각형 MAX의 자기장 유도 상전이를 탐구한다.
• 푸리에 분석과 스핀 텍스처 시각화를 통해 삼각형 MAX의 3Q 상태 성격을 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비중심적 이td리트 전자 자성체의 삼각형 격자에서 메론-암티메론 결정(MAX)이 안정화될 수 있는가?
• RQ2 이차형 상호작용과 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용이 삼각형 MAX 상을 안정화시키는 데 수행하는 역할은 무엇인가?
• RQ3 외부 자기장은 삼각형 MAX의 안정성과 토폴로지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 자기장 방향에 따라 삼각형 MAX에서 다른 귀환 자성 상태로의 상전이는 어떻게 발생하는가?

주요 결과

• 삼각형 MAX는 스핀-전하 결합에서 기인한 이차형 상호작용과 스핀-오비트 결합에서 기인한 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용 간의 상호작용으로 안정화된다.
• 삼각형 MAX는 세 개의 서로 다른 강도를 가진 주기적인 스핀 밀도파가 조합된 3Q 상태로 특징지어진다.
• DM 상호작용을 증가시키면 삼각형 MAX는 스카이크리스탈 수가 ±1인 삼각형 스카이크리스탈(SkX)로 전이된다.
• 이차형 상호작용을 감소시키면 두 개의 동일한 강도를 가진 주기적 파동으로 구성된 직사각형 MAX 상이 나타난다.
• y 또는 z 축 방향의 자기장 작용에서는 삼각형 MAX가 스카이크리스탈 수 nsk = ±1인 스카이크리스탈로 전이된다.
• x 축 방향에서는 스카이크리스탈과 다른 특이한 귀환 자성 정렬이 유도되며, 이는 매우 이방성인 자기장 응답을 나타낸다.