[论文解读] A Chiral Paramagnetic Skyrmion-like Phase in MnSi

C. Pappas, E. Lelièvre‐Berna+6 more|ArXiv.org|Feb 20, 2009

Magnetic properties of thin films参考文献 1被引用 7

一句话总结

本研究通过偏振中子散射和中子自旋回声光谱学，在MnSi中识别出一种手性、顺磁性的Skyrmion样相，揭示了在螺旋转变温度（TC ≈29 K）以上仅存在短程Skyrmionic序的动态无序、拓扑保护态。该相表现出完全的左旋手性及有限的手性关联长度，证实了由Dzyaloshinski-Moriya相互作用稳定的手性Skyrmion液态。

ABSTRACT

We present a comprehensive study of chiral fluctuations in the reference helimagnet MnSi by polarized neutron scattering and Neutron Spin Echo spectroscopy, which reveals the existence of a completely left-handed and dynamically disordered phase. This phase may be identified as a spontaneous skyrmion phase: it appears in a limited temperature range just above the helical transition Tc and coexists with the helical phase at Tc.

研究动机与目标

• 研究MnSi在螺旋转变温度TC以上时的手性自旋涨落。
• 确定MnSi顺磁相的本质，特别是其手性和拓扑特性。
• 确认在长程磁序缺失的情况下，是否存在短程Skyrmionic序。
• 解决长期存在的关于TC以上中子散射中观察到的弥散散射环起源的争议。

提出的方法

• 采用偏振中子散射，通过偏振依赖的散射图案探测手性自旋涨落。
• 应用具有亚neV能量分辨率的中子自旋回声（NSE）光谱学，研究动态自旋关联。
• 结合球面中子极化（SNP）与NSE，测量完整的极化矩阵并分离出手性项。
• 使用磁散射截面形式 σ = M⊥·M*⊥ + P′·ℑ(M⊥×M*⊥) 从中子极化变化中提取手性贡献。
• 从自旋动力学中测量关联长度 ξfluct，并通过 ξfluct ≈ ℓ/2 在TC处与Skyrmion尺寸关联。
• 分析手性权重 η 和动态关联时间 t0 的温度依赖性，推断临界行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在TC以上，MnSi中是否存在具有Skyrmionic短程序的手性无序相？
• RQ2 小角中子散射中观察到的弥散散射环的起源是什么？
• RQ3 在MnSi的顺磁相中，动态自旋涨落与手性关联如何演化？
• RQ4 所观测相是否与Skyrmion液态一致，而非涨落的螺旋相？
• RQ5 顺磁相中的动态临界指数 z 是多少，其对系统维度的含义是什么？

主要发现

• 在TC ≈29 K以上极窄温度范围（~1 K）内，MnSi中存在一种手性、顺磁性的Skyrmion样相。
• 该相表现出完全的左旋手性，由偏振依赖散射图案中显示的半圆特征所证实。
• 手性权重 η 在高达50 K时仍保持有限，表明短程手性序持续存在。
• 动态关联时间 t0 与 ξfluct 相关，得出动态指数 z ≈1，显著低于常规三维磁体的值。
• 在TC处，关联长度 ξfluct ≈ ℓ/2 ≈87.5 Å，与约 ℓ/2 的Skyrmion半径一致。
• 该系统表现出宽幅比热最大值和强烈的短程关联，支持存在拓扑非平庸自旋液体相的存在。