[論文レビュー] Distorted triangular skyrmion lattice in a noncentrosymmetric tetragonal magnet

Takeshi Matsumura, Kenshin Kurauchi+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2023

Magnetic properties of thin films参考文献 25被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、非中心対称テトラゴナル磁性体 EuNiGe₃ において、最初に歪んだ三角形スカイミオン格子の観測が報告された。強力な結晶格子との結合がスカイミオン配列の対称性を破る。共鳴X線回折を用いて、ゼロ磁場におけるヘリカル磁性状態の磁気ヘリシティがスカイミオン格子形成時に反転することが判明した。これは、スカイミオン格子の安定化に伴うエネルギーの増加が、ジャローシュキン＝モリスキー相互作用を上回ることを示しており、非対称スピン交換が主な駆動力であるという従来の見解に挑戦するものである。

ABSTRACT

Magnetic skyrmions are particle-like spin-swirling objects ubiquitously realized in magnets. They are topologically stable chiral kinks composed of multiple modulation waves of spiral spin structures, where the helicity of each spiral is usually selected by antisymmetric exchange interactions in noncentrosymmetric crystals. We report an experimental observation of a distorted triangular lattice of skyrmions in the polar tetragonal magnet EuNiGe$_3$, reflecting a strong coupling with the lattice. Moreover, through resonant x-ray diffraction, we find that the magnetic helicity of the original spiral at zero field is reversed when the skyrmion lattice is formed in a magnetic field. This means that the energy gain provided by the skyrmion lattice formation is larger than the antisymmetric exchange interaction. Our findings will lead us to a further understanding of emergent magnetic states.

研究の動機と目的

• 非中心対称テトラゴナル磁性体 EuNiGe₃ における磁気構造とスカイミオン格子形成を調査すること。
• ジャローシュキン＝モリスキー相互作用（DMI）がスカイミオン格子の安定化に果たす役割を特定すること。
• 極性対称性を有する系における磁気秩序と基盤となる結晶格子との結合を検討すること。
• ゼロ磁場状態と外部磁場誘発状態におけるヘリシティ状態を比較することで、スカイミオン格子形成の起源を解明すること。
• この系において、DMI よりも高次交換相互作用がスカイミオン格子形成を主導しているかどうかを明確にすること。

提案手法

• 元素選択的かつヘリシティ感受性を有する磁気構造をプローブするため、Eu L₃端で共鳴X線回折（RXD）を用いた。
• 偏光分析および位相遅延器技術を用いて、磁気秩序の異なるフーリエ成分を区別した。
• 磁気ブラaggピーク強度をアレイザーアングルおよび位相遅延器アングルの関数として測定し、複素磁気モーメント成分を抽出した。
• 磁気散乱強度の角度依存性を分析することで、磁気構造のヘリシティを決定した。
• 理論的モデリングを用いて観測されたヘリシティ反転を解釈し、格子歪みが存在するにもかかわらずスカイミオン格子状態が全自由エネルギーを最小化することを確認した。
• ゼロ磁場ヘリカル磁性相と外部磁場誘発スカイミオン格子相における磁気構造を比較することで、エネルギー寄与を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EuNiGe₃におけるスカイミオン格子は、強力な磁気-格子結合により、理想の三角対称性から逸脱した歪んだ三角格子を示すか？
• RQ2 ゼロ磁場における磁気構造のヘリシティを決定づけるジャローシュキン＝モリスキー相互作用の役割は何か？
• RQ3 外部磁場を印加した際にスカイミオン格子が形成される際、なぜ磁気ヘリシティが反転するのか？
• RQ4 スカイミオン格子形成に伴うエネルギー増加は、ジャローシュキン＝モリスキー相互作用に伴うエネルギー損失を上回るか？
• RQ5 磁気構造の高次フーリエ成分は、スカイミオン格子全体にわたるヘリシティの一貫性を確認できるか？

主な発見

• EuNiGe₃ において、テトラゴナル結晶格子との強い結合により、理想の三角対称性から逸脱した歪んだ三角形スカイミオン格子が観測された。
• ゼロ磁場ヘリカル磁性状態は、単一の周期的波数 q ≈ (0.25, 0.05, 0) を示し、ジャローシュキン＝モリスキー相互作用によって決定される固定ヘリシティを持つ。
• c軸方向に磁場を印加した際、スカイミオン格子が形成され、3つの構成波がすべて同じヘリシティを示すが、これはゼロ磁場状態のヘリシティとは逆である。
• 共鳴X線回折によりヘリシティ反転が確認され、スカイミオン格子形成に伴うエネルギー増加がジャローシュキン＝モリスキー相互作用エネルギーを上回ることを示した。
• 磁気構造の高次フーリエ成分、特に q_D1 - q_D3 のピークは、すべて負のヘリシティを示し、スカイミオン格子全体にわたるヘリシティの一貫性を確認した。
• 結果から、スカイミオン格子はジャローシュキン＝モリスキー相互作用を越えるメカニズムによって安定化されており、おそらく双二次項のような高次交換相互作用が関与していると考えられる。