[论文解读] Direct control of the skyrmion phase stability by electric field in a magnetoelectric insulator

Alexander Kruchkov, J. S. White+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2017

Advanced Condensed Matter Physics被引用 3

一句话总结

本研究通过中等电场（kV/mm量级）实现了对磁电绝缘体Cu2OSeO3中磁性斯格明子相稳定性的直接电控。结合小角中子散射（SANS）实验与包含涨落效应的扩展平均场理论，作者证明了通过调节外加电场的极性，可可逆地扩展或收缩斯格明子晶格相，为实现电驱动、相稳定性增强的斯格明子器件提供了新途径。

ABSTRACT

Magnetic skyrmions are topologically protected spin-whirl quasiparticles currently considered as promising components for ultra-dense memory devices. In the bulk they form lattices that are stable over just a few Kelvin below the ordering temperature. This narrow stability range presents a key challenge for applications, and finding ways to tune the SkL stability over a wider phase space is a pressing issue. Here we show experimentally that the skyrmion phase in the magnetoelectric insulator ${ ext{Cu}_2 ext{O} ext{Se} ext{O}_3}$ can either expand or shrink substantially depending on the polarity of a moderate applied electric field. The data are well-described by an expanded mean-field model with fluctuations that show how the electric field provides a direct control of the free energy difference between the skyrmion and the surrounding conical phase. Our finding of the direct electric field control of the skyrmion phase stability offers enormous potential for skyrmionic applications based on a magnetoelectric coupling.

研究动机与目标

• 为解决块体材料中斯格明子晶格（SkL）相稳定性范围过窄的问题，该问题限制了其实际应用。
• 探究电场是否能直接调节磁电绝缘体中斯格明子相与锥形自旋相之间的自由能差。
• 利用直接微观探测手段，实验验证在Cu2OSeO3中电场诱导的斯格明子晶格相空间的扩展或收缩。
• 构建一个同时包含平均场效应与涨落修正的理论框架，以准确描述电场作用下的相稳定性。

提出的方法

• 采用小角中子散射（SANS）技术直接观测斯格明子晶格的衍射图样，并监测外加电场下相稳定性的变化。
• 理论分析采用平均场自由能的一阶微扰理论，模拟电场对斯格明子晶格的影响。
• 提出一种新的涨落诱导自由能方法，引入临界温度附近T_C的高斯涨落，以捕捉临界模式的贡献。
• 有效模型包含Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（D）、海森伯交换作用（J）和磁电耦合（λ）等参数，其数值通过SANS与磁化率测量实验获得。
• 通过改变电场极性计算相图，并与实验SANS数据对比以验证模型。
• 电场沿[111]方向施加，以最大化与手性自旋结构的耦合，实现E场与H场的最优对齐，从而实现高效控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 电场是否能直接调节磁电绝缘体中斯格明子晶格相的稳定性？
• RQ2 电场如何改变斯格明子相与锥形相之间的自由能差？
• RQ3 通过电场控制，斯格明子相空间的扩展或收缩程度有多大？
• RQ4 热涨落在电场作用下对斯格明子相的稳定或不稳定起何作用？
• RQ5 能否通过直接微观成像实验验证电场诱导相调控的理论预测？

主要发现

• 在Cu2OSeO3中，斯格明子相的范围随外加电场极性的改变而显著扩展或收缩，温度与磁场范围均发生可观测变化。
• SANS测量证实了斯格明子相边界发生可逆移动，相区宽度在±5×10⁶ V/m电场下最大可移动约原始宽度的10%。
• 理论建模表明，电场在斯格明子晶格自由能上诱导出一阶位移，其量级与斯格明子相和锥形相之间的能量差相当。
• 涨落修正对准确描述相稳定性至关重要，其中自由能差的主要贡献来自短波长（铁磁型）模式。
• 磁电耦合参数λ被提取为9.23×10⁻⁹ m/V，与观测到的电场响应一致，可实现相调控的定量预测。
• 结果表明，电场可在广泛温度与磁场范围内可逆地调控斯格明子相稳定性，为电驱动斯格明子器件提供了切实可行的实现路径。