[论文解读] Emergent chirality in a polar meron to skyrmion phase transition

Yu‐Tsun Shao, Sujit Das+11 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 39被引用 7

一句话总结

本研究在不同温度和弹性边界条件下，展示了[PbTiO3/SrTiO3]8超晶格中从极性旋子（每个拓扑荷为−1/2）的四重晶格到自旋子相（拓扑荷为−1）的可逆拓扑相变。通过先进的扫描会聚束电子衍射技术，作者揭示了应变作为驱动相变的关键序参量，诱导自旋子相中出现有效手性，而旋子相则表现出净零手性。

ABSTRACT

Polar skyrmions are predicted to emerge from the interplay of elastic, electrostatic and gradient energies, in contrast to the key role of the anti-symmetric Dzyalozhinskii-Moriya interaction in magnetic skyrmions. With the discovery of topologically-stable polar skyrmions, it is of both fundamental and practical interest to understand the microscopic nature and the possibility of temperature- and strain-driven phase transitions in ensembles of such polar skyrmions. Here, we explore the reversible transition from a skyrmion state (topological charge of -1) to a two-dimensional, tetratic lattice of merons (with topological charge of -1/2) upon varying the temperature and elastic boundary conditions in [(PbTiO3)16/(SrTiO3)16]8 lifted-off membranes. This topological phase transition is accompanied by a change in chirality, from zero-net chirality (in meronic phase) to net-handedness (in skyrmionic phase). To map these changes microscopically required developing new imaging methods. We show how scanning convergent beam electron diffraction provides a robust measure of the local polarization simultaneously with the strain state at sub-nm resolution, while also directly mapping the chirality of each skyrmion. Using this, we demonstrate strain as a crucial order parameter to drive isotropic-to-anisotropic structural transitions of chiral polar skyrmions to non-chiral merons, validated with X-ray reciprocal space mapping and theoretical phase-field simulations. These results revealed by our new measurement methods provide the first illustration of systematic control of rich variety of topological dipole textures by altering the mechanical boundary conditions, which may offer a promising way to control their functionalities in ferroelectric nanodevices using the local and spatial distribution of chirality and order.

研究动机与目标

• 理解驱动极性自旋子中拓扑相变的微观机制，特别是手性的出现。
• 研究温度和弹性边界条件在稳定不同拓扑纹理（旋子与自旋子）中的作用。
• 开发并应用新型纳米尺度成像技术，实现在亚纳米分辨率下同时解析局部极化、应变和手性。
• 确立应变为调控铁电纳米结构中拓扑偶极纹理的可调控制参数。
• 通过相场模拟和X射线倒易空间映射验证实验观测结果。

提出的方法

• 采用扫描会聚束电子衍射（SCBED）技术，在剥离的[PbTiO3/SrTiO3]16/(SrTiO3)16超晶格膜中实现亚纳米空间分辨率的局部极化与应变映射。
• 开发了一种基于SCBED的新方法，通过分析电子衍射图案的对称性和取向，直接成像单个自旋子的手性。
• 进行温度依赖性测量，以探测旋子相与自旋子相之间的可逆相变。
• 应用弹性边界条件工程，调节结构各向异性，驱动各向同性到各向异性的相变。
• 利用X射线倒易空间映射验证实验结果，确认晶格畸变和应变状态。
• 开展理论相场模拟，以模拟能量势垒并预测在不同应变和温度下相变行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在从旋子到自旋子的拓扑相变过程中，极性自旋子的手性如何产生？
• RQ2 应变在极性自旋子体系中驱动各向同性与各向异性手性相之间转变的过程中起什么作用？
• RQ3 能否在复杂氧化物异质结构中实现亚纳米分辨率下局部极化、应变与手性的同步成像？
• RQ4 温度和机械边界条件如何影响铁电超晶格中旋子与自旋子稳定性的差异？
• RQ5 相场模拟在多大程度上能够再现观测到的拓扑相变行为及应变依赖性特征？

主要发现

• 从具有拓扑荷−1/2的旋子四重晶格到拓扑荷−1的自旋子相的转变是可逆的，且由温度和弹性边界条件驱动。
• 自旋子相表现出净手性，而旋子相则具有零净手性，表明该转变伴随有手性的涌现。
• 扫描会聚束电子衍射实现了对单个自旋子中局部极化、应变和手性的直接、亚纳米分辨率成像。
• 应变被确定为关键序参量，可稳定各向异性的自旋子相，并驱动非手性旋子向该相转变。
• X射线倒易空间映射证实了相场模拟所预测的晶格畸变和应变状态。
• 相场模拟成功再现了实验相图，验证了弹性能、静电能和梯度能对稳定极性自旋子的作用。