[論文レビュー] Skyrmion lattice in centrosymmetric magnets with local Dzyaloshinsky-Moriya interaction

Shi-Zeng Lin|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 44被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、全体として中心対称性を保つにもかかわらず、層内での局所的逆転対称性の破れに起因する局所的Dzyaloshinsky-Moriya相互作用（DMI）によって、中心対称磁性体におけるスカイミオン格子が安定化可能であることを示している。このメカニズムにより、隣接層でヘリシティが逆向きのスカイミオン対が形成され、交互に符号が変わるDMIと層間結合によって支えられる、頑健な平衡状態のスカイミオン格子相が実現され、キラル系に依存しないスカイミオン材料の実現への新たな道筋を提供する。

ABSTRACT

It is common for the local inversion symmetry to break in crystals, even though the whole crystal has global inversion symmetry. This local inversion symmetry breaking allows for a local Dzyaloshinsky-Moriya interaction (DMI) in magnetic crystals. Here we show that the local DMI can stabilize a skyrmion as a metastable excitation or as a skyrmion crystal in equilibrium. We consider the crystal structure with layered structure as an example, where local inversion is violated in each layer but a global inversion center exists in the middle of the two layers. These skyrmions come in pairs that are related by inversion symmetry. The two skyrmions with opposite helicity in a pair form a bound state. We study the properties of a skyrmion pair in the ferromagnetic background and determine the equilibrium phase diagram, where a robust lattice of skyrmion pairs is stabilized. Our results point to a new direction to search for the skyrmion lattice in centrosymmetric magnets.

研究の動機と目的

• グローバルな逆転対称性がDMIを禁止するにもかかわらず、中心対称な磁性体でスカイミオン格子を安定化できるかを調査すること。
• 結晶層内での局所的逆転対称性の破れが、局所的Dzyaloshinsky-Moriya相互作用（DMI）を生じさせ、それがスカイミオンの形成に与える影響を解明すること。
• 符号が層ごとに交互に変化するDMIを有する層状フェロ磁性背景におけるスカイミオン対の平衡相図を特定すること。
• 層間結合および外部駆動（例：スピンホールトルク）の下でのスカイミオン格子の安定性とダイナミクスを分析すること。
• 異なる層でヘリシティが交互に変化するスカイミオン格子を実験的に検出するための戦略を同定すること。

提案手法

• 各単位胞に2つの磁性イオンを有する層状正方形格子モデルを構築し、各層内で局所的逆転対称性が破れ、しかし全体としての逆転対称性が保たれるようにする。
• ハミルトニアンには、近接結合、層間で符号が交互に変化する局所的Rashbaスピン軌道結合、および伝導電子と古典的スピンとの間の局所的Hund結合を含む。
• 有効なDMIはスピン軌道結合に起因し、層面に垂直に作用し、逆転対称的な積層構造に起因して隣接層間で符号が交互に変化する。
• 強い結合極限において二重交換機構を適用し、局在スピンに対する有効スピンハミルトニアンを導出する。
• 40×40格子上で数値シミュレーションを実施し、平衡相図をマップし、スカイミオン格子の配置を可視化する。
• スピンホールトルク下でのダイナミクスを解析し、異なる層のスカイミオン格子間の相対運動に起因する振動的速さ成分が生じることを明らかにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グローバルに中心対称な磁性体では、通常、グローバルな逆転対称性がDMIを禁止するが、このような系でスカイミオン格子を安定化できるか？
• RQ2 個々の層内での局所的逆転対称性の破れに起因する局所的DMIが、スカイミオン構造の形成にどのように寄与するか？
• RQ3 隣接層間で符号が交互に変化するDMIが、ヘリシティが逆向きのスカイミオン対を形成するスカイミオン格子の安定化に果たす役割は何か？
• RQ4 この系における層間結合が、スカイミオン格子の安定性および相図に与える影響は何か？
• RQ5 スピンホールトルクの下で、異なる層のスカイミオン格子が相対速度をもって運動する際に現れるダイナミクス的特徴は何か？

主な発見

• スカイミオン格子相が平衡相図において頑健に安定化されており、隣接層間で逆転対称性に起因するスカイミオン対が形成されている。
• 隣接層のスカイミオンは、局所的DMIの符号が交互に変化することにより、ヘリシティが逆向きとなり、安定化された結合状態を形成する。
• 層間結合に対してもスカイミオン格子は安定であり、2つの格子は整列しているが、ヘリシティが逆向きで相対的シフトを示す。
• 数値シミュレーションにより、Lorentz透過型電子線顕微鏡および中性子回折による実験的検出が可能な、格子定数が一致するスカイミオン格子の存在が確認された。
• スピンホールトルクの下では、異なる層のスカイミオン格子間の相対運動が、スカイミオン格子定数を相対速度で割った値に比例する周期の振動的速さ成分を生じる。
• マグヌス力が粘性抵抗を上回るため、外部交流電流ではなく、内在的な相対運動に起因する、バーサーブステップに類似した現象的挙動を示す。