[论文解读] Direct visualization of three-dimensional shape of skyrmion strings in a noncentrosymmetric magnet

S. Seki, Motohiro Suzuki+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 52被引用 77

一句话总结

本研究利用一种新型可调磁场磁性X射线层析成像系统，首次在非中心对称磁性材料（Mn1.4Pt0.9Pd0.1Sn）中实现了单个磁性斯kyrmion弦的直接三维可视化。通过在多个角度获取XMCD图像并进行层析重建，研究人员成功分辨出真实的skyrmion弦、中断和Y形构型，并识别出与涌现磁单极子一致的点缺陷，从而实现了对三维拓扑自旋织构及其动力学的直接观测。

ABSTRACT

Magnetic skyrmion, i.e. a topologically stable swirling spin texture, appears as a particle-like object in the two-dimensional (2D) systems, and has recently attracted attention as a candidate of novel information carrier. In the real three-dimensional (3D) systems, a skyrmion is expected to form a string structure along an extra dimension, while its experimental identification has rarely been achieved. Here, we report the direct visualization of 3D shape of individual skyrmion strings, for the recently discovered room-temperature skyrmion-hosting noncentrosymmetric compound Mn1.4Pt0.9Pd0.1Sn. For this purpose, we have newly developed the magnetic X-ray tomography measurement system that can apply magnetic field, which plays a key role on the present achievement. Through the tomographic reconstruction of the 3D magnetization distribution based on the transmission images taken from various angles, a genuine skyrmion string running through the entire thickness of the sample, as well as various defect structures such as the interrupted and Y-shaped strings, are successfully identified. The observed point defect may represent the emergent magnetic monopole, as recently proposed theoretically. The present tomographic approach with tunable magnetic field paves the way for the direct visualization of the structural dynamics of individual skyrmion strings in the 3D space, which will contribute to the better understanding of the creation, annihilation and transfer process of these topological objects toward the potential device applications.

研究动机与目标

• 直接可视化三维磁性体系中单个skyrmion弦的三维形貌，该目标虽有理论预测但长期缺乏实验验证。
• 通过开发一种可在测量过程中施加并维持磁场的磁性X射线层析成像系统，克服传统二维成像技术因平均深度信息而带来的局限性。
• 识别并表征skyrmion弦中的复杂缺陷结构，如中断和Y形连接点，并评估其拓扑意义。
• 建立一种新的实验平台，用于研究skyrmion在三维空间中生成、湮灭和输运的动力学过程。

提出的方法

• 开发一种具备原位磁场施加能力的磁性X射线层析成像系统，实现从多角度获取的二维透射图像中重建三维磁化分布。
• 利用在Pt L3边（11.572 keV）处的扫描透射X射线显微镜（STXM）结合圆偏振X射线，测量X射线磁圆二色性（XMCD），该方法对磁化强度的出平面分量具有高灵敏度。
• 从围绕[001]轴不同倾斜角度（θ）获取的XMCD图像中进行层析重建，获得三维磁化分布，且磁场始终沿[001]方向对准。
• 采用楔形单晶Mn1.4Pt0.9Pd0.1Sn样品，其厚度呈梯度变化，以实现深度分辨成像并验证重建保真度。
• 利用具有D2d对称性、Dzyaloshinskii-Moriya相互作用及随机各向异性的微磁模拟，对观测到的skyrmion弦形貌与缺陷结构进行建模与解释。
• 采用反馈控制旋转台，确保在角度扫描过程中磁场与样品取向保持精确对齐。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在真实三维磁性材料中直接可视化单个skyrmion弦的三维形貌？
• RQ2 在非中心对称磁性材料中，skyrmion弦的形态特征（包括中断和Y形结点等缺陷）是什么？
• RQ3 所观测到的缺陷结构是否与理论预测的涌现磁单极子相对应？
• RQ4 具备可调磁场的磁性X射线层析成像技术如何实现对三维skyrmion动力学与拓扑稳定性的研究？

主要发现

• 三维层析重建成功可视化了贯穿Mn1.4Pt0.9Pd0.1Sn样品全厚度的真实skyrmion弦，证实其在三维空间中具有延伸的弦状结构特征。
• 观测到中断的skyrmion弦，表明其在演化过程中可能存在钉扎或拓扑缺陷形成。
• 识别出Y形skyrmion弦，其结点处存在一个点缺陷，其空间特征与理论预测的涌现磁单极子完全一致。
• 具备原位磁场施加能力的磁性X射线层析成像系统实现了对复杂磁化织构的高保真度三维重建，突破了二维成像的局限。
• 重建的三维磁化分布显示了磁矩的出平面分量（mc），核心区域呈现明显的反平行排列，边缘区域呈现平面内旋涡结构，与反涡旋skyrmion特征一致。
• 微磁模拟结果证实，所观测到的Y形构型及其关联缺陷具有拓扑稳定性，并与磁单极子相关联，验证了实验观测结果。