[論文レビュー] Ferroelectric Skyrmions and a Zoo of Multiferroic Phases in GaV4S8

E. Ruff, S. Widmann+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2015

Multiferroics and related materials参考文献 40被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、ガリウムバナジウムチタニウムサルファイド（GaV4S8）が、強誘電分極と磁気秩序が共存する3つの異なる多フェロ体相を有することを示した。特にスピンが誘導する強誘電分極がスピンスカイルームコア付近で強い空間的変調を示すスピンスカイルーム格子（SkL）相が含まれる。このメカニズムはスピン配置と結晶対称性に起因する交換歪み（exchange striction）に由来し、スピンスカイルームの電場制御を可能にする。これは、非消費的で電気的に駆動されるスピンスカイルームベースのメモリデバイスへの重要な一歩である。

ABSTRACT

Skyrmions are whirl like topological spin objects with high potential for future magnetic data storage. It is a fundamental question, relevant for both basic research and application, if a ferroelectric (FE) polarization can be associated with their magnetic texture and if these objects can be manipulated by electric fields. Here, we study the interplay between magnetism and electric polarization in the lacunar spinel GaV4S8, which undergoes a structural transition associated with orbital ordering at 44 K and reveals a complex magnetic phase diagram below 13 K, including a ferromagnetic (FM), cycloidal, and Neel-type skyrmion lattice (SkL) phase. We found that the orbitally ordered phase of GaV4S8 is FE with a sizable polarization of ~1 {\mu}C/cm2. Moreover, we observed spin-driven excess polarizations in all magnetic phases and, hence, GaV4S8 hosts three different multiferroic phases with coexisting polar and magnetic order. These include the SkL phase where we predict a strong spatial modulation of the FE polarization close to the skyrmion cores. By taking into account the crystal symmetry and spin patterns of the magnetically ordered phases, we identify the exchange striction as the main microscopic mechanism behind the spin-driven FE polarization in each multiferroic phase. Since GaV4S8 is unique among the known SkL host materials due to its polar crystal structure and the observed strong magnetoelectric effect, this study is an important step towards the non-dissipative electric-field control of skyrmions.

研究の動機と目的

• ラクナリスピンデルのGaV4S8における磁気と電気分極の相関を調査すること。
• スピンスカイルームのような磁気的テクスチャが、強誘電分極を誘起できるかどうかを特定すること。
• 多フェロ体相におけるスピンが誘導する分極の微視的起源を同定すること。
• 極性結晶構造においてスピンスカイルームの電場制御の可能性を検討すること。
• GaV4S8を、電場による非消費的スピンスカイルーム操作のプラットフォームとして確立すること。

提案手法

• 誘電およびピロエレクトリック測定を用いて、GaV4S8の磁気相図全域における電気分極を測定すること。
• 強磁性相、サイクロイダル相、ネール型スピンスカイルーム格子（SkL）相における結晶対称性とスピン配置を分析すること。
• スピンが誘導する強誘電分極を説明するための交換歪みメカニズムの理論的モデリング。
• 対称性およびスピンテクスチャ解析を用いて、スピンスカイルームコア付近での分極の変調を同定すること。
• 44 Kでの軌道秩序と、材料における強誘電性の発現との相関を特定すること。
• 群論およびスピン-格子結合を用いて、磁気秩序と分極応答の関係を結びつけること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GaV4S8において、磁気的スピンスカイルームテクスチャが強誘電分極を誘起できるか？
• RQ2 GaV4S8の多フェロ体相におけるスピンが誘導する強誘電分極の微視的起源は何か？
• RQ3 スピンスカイルーム格子相において、分極は空間的にどのように変化するか。特にスピンスカイルームコア付近でどうなるか？
• RQ4 GaV4S8における強誘電応答は、主に軌道秩序か、スピン-格子結合かによって駆動されているか？
• RQ5 強い磁電気結合を示すGaV4S8において、電場を用いてスピンスカイルームを操作できるか？

主な発見

• GaV4S8の軌道秩序相は、約1 μC/cm²の強誘電分極を示す。
• GaV4S8のすべての磁気相—強磁性相、サイクロイダル相、ネール型スピンスカイルーム格子相—は、スピンが誘導する余分な分極を示しており、3つの明確に異なる多フェロ体相が確認された。
• スピンスカイルーム格子相において、強誘電分極はスピンスカイルームコア付近で強い空間的変調を示すと予測されている。
• 交換歪みメカニズムが、すべての多フェロ体相においてスピンが誘導する強誘電性の主な微視的起源であると特定された。
• GaV4S8は、極性結晶構造と強い磁電気結合を示す最初に知られるスピンスカイルームホスト材料であり、将来的に電場によるスピンスカイルーム制御が可能となる。
• スピンテクスチャ、結晶対称性、格子歪みの相互作用が多フェロ体行動を規定しており、非消費的スピンスカイルーム操作への道筋を提供している。