[논문 리뷰] Vital role of anisotropy in cubic chiral skyrmion hosts

M. Preißinger, Kosuke Karube외 11명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 11.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 45인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 CoZnMn 기반 입방 편향 자성체에서 입방 자화 이방성의 역할을 실험적으로 정량화하며, 이방성 강도와 특성(⟨100⟩에서 ⟨111⟩으로의 쉬운 축)이 온도와 Co/Mn 비율에 따라 크게 변화함을 밝혀냈다. 저온에서 증가하는 이방성은 나선형 q-벡터의 재정렬을 이끌며, 비안정 상태의 스카일름 격자(육각형에서 정사각형 또는 삼각형으로)의 격자 변형을 유도하고, 스핀 리라크세이션 속도와 비선형성 증가와도 관련이 있다.

ABSTRACT

The impact of magnetic anisotropy on the skyrmion lattice (SkL) state in cubic chiral magnets has been overlooked for long, partly because a semi-quantitative description of the thermodynamically stable SkL phase pocket forming near the Curie temperature could be achieved without invoking anisotropy effects. However, there has been a range of phenomena reported recently in these materials, such as the formation of low-temperature tilted conical and SkL states as well as temperature-induced transformations of lattice geometry in metastable SkL states, where anisotropy was suspected to play a key role. To settle this issue on experimental basis, we quantified the cubic anisotropy in a series of CoZnMn-type cubic chiral magnets. We found that the strength of anisotropy is highly enhanced towards low temperatures in all the compounds, moreover, not only the magnitude but also the character of cubic anisotropy drastically varies upon changing the Co/Mn ratio. We correlate these changes with temperature- and composition-induced variations of the helical modulation vectors, the anharmonicity and structural rearrangements of the metastable SkLs and the spin relaxation rates. Similar systematic studies on magnetic anisotropy may not only pave the way for a quantitative and unified description of the stable and metastable modulated spin textures in cubic chiral magnets but would also help exploring further topological spin textures in this large class of skyrmion hosts.

연구 동기 및 목표

• 입방 편향 자성체에서 스카일름 격자(SkLs)를 안정화하고 형상화하는 데 있어 오랫동안 忽略된 자화 이방성의 역할을 밝히는 것.
• 이방성이 나선형 q-벡터의 정렬 방향과 비안정 상태의 SkL 상태의 대칭성에 어떻게 영향을 미치는지 조사하는 것.
• 이방성 변화와 스핀 리라크세이션 속도 및 격자 이방성과 같은 구조적 및 동적 성질 간의 상관관계를 규명하는 것.
• 비안정 상태에서 이방성, SkL 기하학, 스핀 텍스처 진화 간의 통합된 프레임워크를 수립하는 것.

제안 방법

• 단일 결정 (Co0.5Zn0.5)20−xMnx에서 자외선 회절 및 강자성 공명(FMR)을 이용해 외부 자기장 의존성 자화 이방성을 측정함.
• q-벡터 방향과 격자 대칭성을 분석하여 온도 및 조성 의존성 입방 이방성 상수(K1, K2, K4, K6)를 추적함.
• FMR을 이용해 비안정 상태의 스카일름 격자에서 스핀 동역학과 비선형성을 탐지하기 위해 Gilbert 감쇠(α)를 추출함.
• 이방성 변화와 나선형 조율 벡터의 변화, 구조적 변형, 스핀 리라크세이션 속도 변화 간의 상관관계를 분석함.
• 군 이론과 대칭성 분석을 적용하여 이방성 특성(⟨100⟩ 대비 ⟨111⟩)이 SkL 격자 기하학(육각형, 정사각형, 삼각형)에 어떻게 연결되는지 규명함.
• 표본 품질과 자성 전이를 확인하기 위해 라우 필름 회절 및 자화 측정을 수행함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자화 이방성이 입방 편향 자성체에서 나선형 q-벡터의 정렬에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 (Co0.5Zn0.5)20−xMnx 체계에서 입방 이방성의 온도 및 조성 의존성은 어떠한가?
• RQ3 저온에서 증가하는 이방성이 비안정 상태 스카일름 격자를 육각형에서 정사각형 또는 삼각형 대칭으로 전환시키는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 이방성이 비안정 상태 SkL 상태에서 비선형성과 스핀 리라크세이션을 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 Gilbert 감쇠는 스카일름 격자에서 위상적 스핀 텍스처 왜곡을 신뢰할 만한 지표로 사용할 수 있는가?

주요 결과

• 입방 이방성 강도는 저온으로 갈수록 크게 증가하며, 특히 Co9Zn9Mn2 및 Co10Zn10에서 가장 두드러진 증가를 보였다.
• Co 함량이 증가함에 따라 이방성 특성은 ⟨100⟩형에서 ⟨111⟩형 쉬운 축으로 변화하며, 특히 Co10Zn10에서 두드러졌다.
• Co10Zn10에서는 고차 이방성 항의 영향으로 q-벡터가 ⟨111⟩ 방향으로 정렬되면서 비안정 상태 스카일름 격자가 육각형에서 삼각형으로 전환되었다.
• Co7Zn7Mn6, Co8Zn8Mn4, 및 Co9Zn9Mn2에서는 비안정 상태 SkL이 정사각형 격자로 진화하였으며, 스카일름이 ⟨100⟩ 축을 따라 연장됨에 따라 이방성이 강화되었다.
• 격자 왜곡이 있는 비안정 상태 SkL을 가진 화합물에서 Gilbert 감쇠(α)는 저온에서 증가하였으며, 이는 q-벡터의 비선형성과 격자 왜곡과 강하게 상관관계가 있었다.
• α와 |q| 벡터의 온도 의존성은 유사한 추세를 보이며, 증가하는 이방성과 Mn 스핀 변동성과 관련된 공통적인 미세 구조 기원을 시사한다.