[論文レビュー] Very large Dzyaloshinskii-Moriya interaction in two-dimensional Janus manganese dichalcogenides and its application to realize field-free skyrmions

Jinghua Liang, Mairbek Chshiev+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2019

Multiferroics and related materials被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、非同一な chalcogen 要素（X ≠ Y）に起因する逆空間の破れにより、ジャヌス MnXY モノレイヤーが非常に大きなジャローシュキンスキー＝モリオ対称性（DMI）を示すことを示している。これは、最先端の FM/HM 異性接合構造と同等のものである。第一原理計算およびモンテカルロシミュレーションにより、MnSeTe および MnSTe が低温で外部磁場のないスカイム粒子を安定化できることを示しており、外部磁場が不要なキラル磁気的構造の実現に貢献する。

ABSTRACT

The Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI), which only exists in noncentrosymmetric systems, is responsible for the formation of exotic chiral magnetic states. The absence of DMI in most two-dimensional (2D) magnetic materials is due to their intrinsic inversion symmetry. Here, using first-principles calculations, we demonstrate that significant DMI can be obtained in a series of Janus monolayers of manganese dichalcogenides MnXY in which the difference between X and Y on the opposites sides of Mn breaks the inversion symmetry. In particular, the DMI amplitudes of MnSeTe and MnSTe are comparable to those of state-of-the-art ferromagnet/heavy metal (FM/HM) heterostructures. In addition, by performing Monte Carlo simulations, we find that at low temperatures the ground states of the MnSeTe and MnSTe monolayers can transform from ferromagnetic states with worm-like magnetic domains into the skyrmion states by applying external magnetic field. At increasing temperature, the skyrmion states starts fluctuating above 50 K before an evolution to a completely disordered structure at higher temperature. The present results pave the way for new device concepts utilizing chiral magnetic structures in specially designed 2D ferromagnetic materials.

研究の動機と目的

• 2次元（2D）磁性材料における逆空間の破れに起因するジャローシュキンスキー＝モリオ対称性（DMI）の起源と大きさを解明すること。
• 非同一な X および Y の chalcogen 要素を有する 2D ジャヌスマンガンジチalcogen化物（MnXY）が、大規模な DMI を有する有望な候補であることを特定すること。
• 外部磁場および温度の変動下におけるこれらの材料におけるスカイム粒子状態の安定性と形成を調査すること。
• キラル磁気的構造に基づく低消費電力スピントロニクス素子への応用可能性を、これらの 2D 材料の観点から評価すること。

提案手法

• MnXY ジャヌスモノレイヤーにおける電子構造および DMI 強度を計算するための第一原理密度汎関数理論（DFT）計算。
• スピン軌道結合効果および逆空間の破れの分析を通じて、DMI の振幅を定量すること。
• 磁気的秩序における熱的安定性および相転移をモデル化するためのモンテカルロシミュレーション。
• 外部磁場を適用してスカイム粒子の形成を誘発し、その温度依存的挙動を調査すること。
• ベンチマーク化のため、MnSeTe および MnSTe の DMI 値を従来の FM/HM 異性接合構造と比較すること。
• 温度および磁場の関数として、強磁性のウーマン・ライクドメインからスカイム粒子状態への基底状態の進化を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非同一な chalcogen 要素に起因する逆空間の破れにより、2次元ジャヌス MnXY モノレイヤーで顕著なジャローシュキンスキー＝モリオ対称性（DMI）を達成できるか？
• RQ2 MnSeTe および MnSTe における DMI の大きさは、最先端の FM/HM 異性接合構造と比べてどの程度か？
• RQ3 どのような条件下で、外部磁場を必要としない状態でスカイム粒子状態が安定化できるか？
• RQ4 温度が MnSeTe および MnSTe モノレイヤーにおけるスカイム粒子状態の安定性およびダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ5 これらの系における磁気的秩序の熱的進化は、秩序のあるスカイム粒子状態から無秩序な相へとどのように進行するか？

主な発見

• MnSeTe および MnSTe モノレイヤーにおける DMI の振幅は、最高性能を示す FM/HM 異性接合構造と同等の値に達しており、強いキラル相互作用を示している。
• 低温では、外部磁場を印加することで、MnSeTe および MnSTe において、ウーマン・ライクドメインを有する強磁性状態からスカイム粒子状態への遷移が誘発される。
• スカイム粒子状態は 50 K 以上でフラクチュエートし始め、これらのキラル構造の熱的安定性の限界を示している。
• より高い温度では、系は完全に無秩序な磁気的状態に進化し、長距離磁気的秩序の破壊を示している。
• 強い DMI と内在的な磁気的異方性の組み合わせにより、特定の条件下で外部磁場なしのスカイム粒子形成が可能であり、ゼロ磁場スピントロニクス応用の可能性を示唆している。
• 本研究の結果により、MnXY ジャヌスモノレイヤーが、2次元ファンデルワールス材料におけるキラル磁気的構造実現の有望な候補であることが確立された。