[논문 리뷰] Large Noncollinearity and Spin Reorientation in the Novel Mn2RhSn Heusler Magnet

Olga Meshcheriakova, Stanislav Chadov외 11명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 17.

Heusler alloys: electronic and magnetic properties인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 경사진 Heusler 자성체인 Mn2RhSn이 경쟁적인 Dzyaloshinskii-Moriya (DM) 상호작용과 자성 이방성으로 인해 큰 스핀 기울임과 온도에 의한 스핀 재정렬 전이를 나타내는 새로운 비결합형 자성체임을 규명한다. 이론적 마이크로자기모형 분석을 통해 ~130 nm의 나비에르성 비틀림 길이와 임계 κ ≈ 0.95를 갖는 스카이미온 안정 영역이 확인되었으며, 이는 스카이미온 상에 근접해 있음을 시사하여 Mn2RhSn이 스카이미온 기반 스핀트로닉스 장치에 유망한 후보가 됨을 나타낸다.

ABSTRACT

Noncollinear magnets provide essential ingredients for the next generation memory technology. It is a new prospect for the Heusler materials, already well known due to the diverse range of other fundamental characteristics. Here, we present a combined experimental and theoretical study of novel noncollinear tetragonal Mn2RhSn Heusler material exhibiting unusually strong canting of its magnetic sublattices. It undergoes a spin-reorientation transition, induced by a temperature change and suppressed by an external magnetic field. Because of the presence of Dzyaloshinskii-Moriya exchange and magnetic anisotropy, Mn2RhSn is suggested to be a promising candidate for realizing the Skyrmion state in the Heusler family.

연구 동기 및 목표

• 신규 테트라고널 Mn2RhSn Heusler 화합물에서 큰 비결합성의 기원을 규명하기 위해.
• 온도에 의해 유도되는 스핀 재정렬 전이의 메커니즘을 이해하기 위해.
• 마이크로자기모형을 통한 스카이미온 상을 갖출 수 있는 잠재력을 평가하기 위해.
• Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용과 자성 이방성이 비결합 자성 구조를 안정화시키는 데 미치는 역할을 규명하기 위해.
• 스카이미온 역학에 기반한 미래의 스핀트로닉스 응용을 고려할 때 재료의 적합성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 전자적 및 자성 구조를 규명하기 위해 실험적 및 처음 원리 이론적 분석을 통합한 방법.
• Dzyaloshinskii-Moriya (DM) 교환 및 이방성 항을 포함한 효과적 해밀토니안을 사용한 마이크로자기모형.
• ab initio 기초 상태 데이터로부터 효과적 상호작용 상수 (A, D, K)를 계산한 방법.
• 스카이미온 안정성을 추정하기 위해 나비에르성 비틀림 길이 Λ = 4πA/|D|를 사용한 방법.
• 스카이미온 상 존재를 예측하기 위해 임계 매개변수 κ = π|D|/(4√(A K))를 평가한 방법.
• 재정렬 전이 근처에서의 자성 구조 분석을 포함한 이중 비틀림 스카이미온과 반자성 l-모드

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 반평행 Mn–Mn 교환 상호작용(J ≈ -20 meV)이 존재하는 바에다가 Mn2RhSn에서 큰 비결합성이 발생하는 원인은 무엇인가?
• RQ2 온도가 Mn2RhSn에서 스핀 재정렬 전이를 유도하는 방식은 무엇인가?
• RQ3 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용이 비결합 자성 상태를 안정화시키는 데 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ4 Mn2RhSn은 스카이미온 상을 갖출 수 있으며, 어떤 조건에서 그러한 상이 존재하는가?
• RQ5 자성 이방성과 DM 상호작용이 이 시스템에서 스카이미온의 안정성에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• Mn2RhSn은 근접한 이웃 원자 간 반평행 교환(J ≈ -20 meV)과 주로 군원소 Z를 통한 다음 근접 이웃 초합성(j) 간의 경쟁으로 인해 큰 스핀 기울임 각도를 나타낸다.
• 이 물질은 비결합성에서 결합성 페리자성(FeM) 순서로의 온도에 의한 스핀 재정렬 전이를 겪는다.
• 마이크로자기모형 분석을 통해 나비에르성 비틀림 길이 Λ ≈ 130 nm로 예측되어 스카이미온 형성에 유리한 조건임을 시사한다.
• 임계 매개변수 κ ≈ 0.95는 외부 자기장에 의해 유도되는 스카이미온 격자 형성의 임계값(κ > 1.14)에 가까운 것으로, 스카이미온 상에 근접해 있음을 나타낸다.
• 재정렬 전이 근처에서 부드러운 반자성 l-모드가 페리자성 F-모드와 함께 공진전하며 스카이미온 중심에 비틀림 구조를 형성하며 복잡한 솔리톤 구조의 존재 가능성을 시사한다.
• 이 시스템의 비대칭 구조와 경쟁적 상호작용은 비균일한 자성 상태, 특히 국소화된 스카이미온 유사 구조의 존재를 뒷받침한다.