[논문 리뷰] Skyrmion lattice in centrosymmetric magnets with local Dzyaloshinsky-Moriya interaction

Shi-Zeng Lin|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 23.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 44인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 전역적으로 중심대칭성을 가지는 자성체에서, 층 내 국소적 역행성 대칭성의 위반에 기인한 국소적 Dzyaloshinsky-Moriya 상호작용(DMI)을 통해 스카이미온 격자가 안정화될 수 있음을 보여준다. 이 메커니즘은 인접한 층에서 서로 다른 편극성을 가진 스카이미온 쌍의 형성을 가능하게 하며, 번갈아가는 DMI와 층 간 상호작용에 의해 지배되는 강력한 평형 상태의 스카이미온 격자 상을 제공함으로써, 비회전성 시스템을 초월한 스카이미온 재료를 실현하는 새로운 길을 열어준다.

ABSTRACT

It is common for the local inversion symmetry to break in crystals, even though the whole crystal has global inversion symmetry. This local inversion symmetry breaking allows for a local Dzyaloshinsky-Moriya interaction (DMI) in magnetic crystals. Here we show that the local DMI can stabilize a skyrmion as a metastable excitation or as a skyrmion crystal in equilibrium. We consider the crystal structure with layered structure as an example, where local inversion is violated in each layer but a global inversion center exists in the middle of the two layers. These skyrmions come in pairs that are related by inversion symmetry. The two skyrmions with opposite helicity in a pair form a bound state. We study the properties of a skyrmion pair in the ferromagnetic background and determine the equilibrium phase diagram, where a robust lattice of skyrmion pairs is stabilized. Our results point to a new direction to search for the skyrmion lattice in centrosymmetric magnets.

연구 동기 및 목표

• 전역 역행성 대칭성이 DMI를 금지하는 중심대칭 자성체에서 스카이미온 격자가 안정화될 수 있는지 탐색한다.
• 결정 격자 층 내 국소적 역행성 대칭성의 위반이 국소적 Dzyaloshinsky-Moriya 상호작용(DMI)을 유도하여 스카이미온을 안정화시키는 방식을 조사한다.
• 번갈아가는 DMI 부호를 가진 층 간 상호작용이 있는 다층 페로자성 배경에서 스카이미온 쌍의 평형 상도도를 규명한다.
• 층 간 상호작용과 스핀 홀 토크와 같은 외부 자극 하에서 스카이미온 격자의 안정성과 동역학을 분석한다.
• 다른 층에서 서로 다른 편극성을 가지는 스카이미온 격자를 실험적으로 탐지할 수 있는 전략을 규명한다.

제안 방법

• 각 단위세포에 두 개의 자기 이온을 포함하는 다층 정사각형 격자 모델을 구축하였으며, 각 층에서는 국소적 역행성 대칭성이 위반되지만 전반적인 대칭성은 유지된다.
• 해밀토니안에는 근접 이웃 간 전도 전자 이동, 층 간 부호가 번갈아가는 국소적 라슈바 스핀 오비트 결합, 그리고 전도 전자와 고전적 스핀 간의 국소적 헌드 결합이 포함된다.
• 효과적 DMI는 스핀 오비트 결합에 기인하며, 층 평면에 수직이며, 대칭적 쌓기 구조로 인해 인접한 층 간에 부호가 번갈아진다.
• 강한 결합 근사에서 이중 교환 메커니즘을 적용하여 국소 스핀에 대한 효과적 스핀 해밀토니안을 유도한다.
• 40×40 격자에서 수치 시뮬레이션을 수행하여 평형 상도도를 맵핑하고 스카이미온 격자 구조를 시각화한다.
• 스핀 홀 토크 하에서의 동역학을 분석한 결과, 서로 다른 층의 스카이미온 격자 간 상대 운동으로 인해 진동하는 속도 성분이 나타났다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 DMI가 전역적 역행성 대칭성에 의해 금지되는 전역 중심대칭 자성체에서 스카이미온 격자가 안정화될 수 있는가?
• RQ2 개별 층 내 국소적 역행성 대칭성 위반에 기인한 국소적 DMI가 스카이미온 구조 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 인접한 층 간에 번갈아가는 DMI 부호가 서로 다른 편극성을 가지는 스카이미온 쌍을 형성하고, 이로 인해 스카이미온 격자가 안정화되는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 이 시스템에서 층 간 상호작용은 스카이미온 격자의 안정성과 상도도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 스핀 홀 토크 작용 하에서 서로 다른 층의 스카이미온 격자가 상대 운동을 보일 때 나타나는 동역학적 특징은 무엇인가?

주요 결과

• 강력한 스카이미온 격자 상이 평형 상도도도에 안정화되어 있으며, 이는 서로 인버전션 대칭에 의해 연결된 인접 층 간 스카이미온 쌍의 형성에 기인한다.
• 인접 층의 스카이미온은 번갈아가는 국소적 DMI 부호로 인해 서로 다른 편극성을 가지며, 이는 안정성이 향상된 결합 상태를 형성한다.
• 층 간 상호작용에 대해 스카이미온 격자가 안정되어 있으며, 두 격자가 정렬되어 있지만 편극성이 반대이고 상대적 이동이 존재한다.
• 수치 시뮬레이션은 레이저 투과형 전자현미경 및 중성자 산란에 의해 실험적으로 탐지 가능한 격자 상수를 가지는 스카이미온 격자가 존재함을 확인한다.
• 스핀 홀 토크 하에서 서로 다른 층의 스카이미온 격자 간 상대 운동은 스카이미온 격자 간격을 상대 속도로 나눈 값에 비례하는 주기로 진동하는 속도 성분을 유도한다.
• 스카이미온 격자 상에서 마그누스 힘이 점성 저항보다 지배적이기 때문에, 외부 교류 전류가 아닌 내재된 상대 운동에 의해 유도되는 샤피로 단계와 유사한 현상이 관찰된다.