[論文レビュー] Incommensurate magnetic orders and topological Hall effect in the square-net centrosymmetric EuGa$_2$Al$_2$ system

Jaime M. Moya, Shiming Lei+17 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2021

Chemical and Physical Properties of Materials参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、対称中心を持つスクエアネット化合物EuGa₂Al₂において、不釣り合いな磁気秩序と場によって誘起されるトポロジカルホール効果（THE）を特定した。中性子回折により、平面内ヘリカル（AFM1）およびサイクロイダル（AFM3）スピン構造が同定され、c軸方向磁場下で新たな非平面相（A）が出現し、その際THEが最大値を示す。これは、平面外電荷密度波（CDW）によって駆動される場に依存するトポロジカルスピン構造であることを示唆している。

ABSTRACT

Neutron diffraction on the centrosymmetric square-net magnet EuGa$_2$Al$_2$ reveals multiple incommensurate magnetic states (AFM1,2,3) in zero field. In applied field, a new magnetic phase (A) is identified from magnetization and transport measurements, bounded by two of the $μ_0H$~=~0 incommensurate magnetic phases (AFM1,helical and AFM3, cycloidal) with different moment orientations. Moreover, magneto-transport measurements indicate the presence of a topological Hall effect, with maximum values centered in the A phase. Together, these results render EuGa$_2$Al$_2$ a material with non-coplanar or topological spin texture in applied field. X-ray diffraction reveals an out-of-plane (OOP) charge density wave (CDW) below $T_{CDW} \sim$ 50 K while the magnetic propagation vector lies in plane below $T_N$ = 19.5 K. Together these data point to a new route to realizing in-plane non-collinear spin textures through an OOP CDW. In turn, these non-collinear spin textures may be unstable against the formation of topological spin textures in an applied field.

研究の動機と目的

• ゼロおよび外部磁場下における対称中心を持つスクエアネット化合物EuGa₂Al₂の磁気相図を特定すること。
• 平面外電荷密度波（CDW）が複雑な平面内磁気構造を安定化させる役割を調査すること。
• 事前に形成されたCDWと磁場下における非平行および非平面スピン構造の出現との関連を確立すること。
• EuGa₂Al₂におけるトポロジカルホール効果（THE）の起源を解明し、磁気相転移とその相関関係を明らかにすること。
• 同構造化合物（EuAl₄、EuGa₄）と比較することで、CDWがトポロジカルスピン構造を可能にする役割を隔離すること。

提案手法

• ゼロ磁場下における不釣り合い相（AFM1、AFM3）の磁気構造および伝播ベクトルを特定するために中性子回折が用いられた。
• c軸方向に磁場を印加した状態で磁化およびマグネトトランスポート測定が実施され、相Aの同定とトポロジカルホール効果の定量的評価が行われた。
• 平面外（OOP）電荷密度波（CDW）の存在と温度依存的変化を検出するためにX線回折（XRD）が用いられた。
• OOP CDWによるフェルミ面再構成を分析し、スピン非同一性および非平面スピン構造への不安定性を説明した。
• 同構造化合物であるEuAl₄およびEuGa₄との比較研究を通じて、CDWが複雑な磁気秩序を可能にする役割を隔離した。
• 単結晶の拡散X線散乱および電子プローブマイクロアナリシス（EPMA）を用いて、構造的および成分的完全性を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゼロおよび外部磁場下におけるEuGa₂Al₂の磁気相は何か。また、磁場の変化に伴ってどのように変化するか。
• RQ2 平面外電荷密度波（CDW）の存在が、EuGa₂Al₂における平面内非同一スピン構造の形成にどのように影響するか。
• RQ3 場によって誘起された相Aにおける観測されたトポロジカルホール効果（THE）の起源は何か。また、スピン構造のトポロジーとどのように関連しているか。
• RQ4 同構造化合物（例：EuAl₄およびEuGa₄）が異なる磁気的および輸送的挙動を示す理由は何か。これによりCDWの役割がどのように明らかになるか。
• RQ5 OOP CDWと平面内磁気秩序の相互作用が、磁場下でスカイメーションのようなトポロジカルスピン構造を生じさせ得るか。

主な発見

• ゼロ磁場下で不釣り合い反強磁性相（AFM1、AFM2、AFM3）が同定され、AFM1はヘリカルスピン構造、AFM3はサイクロイダル構造を示し、両者ともa*方向に伝播する。
• c軸方向磁場を印加した場合、AFM3とAFM1の間で新たな場によって誘起される相（A）が出現し、非平面スピン構造を特徴とする。
• トポロジカルホール効果（THE）は相Aで最大値を示し、中程度の磁場領域でピークが観測された。これはキラルスピン構造の存在を示唆している。
• TCDW ≈ 50 K未満でc*方向に伝播する平面外（OOP）電荷密度波（CDW）が検出され、磁気秩序状態にもわたって持続する。
• OOP CDWはフェルミ面を再構成し、次元性を低下させるとともに、スピン非同一性スピン構造の形成を促進する高い感受性を増幅させる。
• EuAl₄およびEuGa₄との比較により、EuGa₄にCDWが存在しないことから、単純な整数比反強磁性基底状態を示すことが判明し、CDWが複雑な磁気秩序を可能にする上で不可欠な役割を果たしていることが確認された。