[论文解读] Distorted triangular skyrmion lattice in a noncentrosymmetric tetragonal magnet

Takeshi Matsumura, Kenshin Kurauchi+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2023

Magnetic properties of thin films参考文献 25被引用 4

一句话总结

本研究首次报道了在非中心对称四角晶系磁性材料 EuNiGe₃ 中观察到受晶格强耦合影响而扭曲的三角形自旋旋翼晶格，该耦合破坏了自旋旋翼排列的对称性。通过共振X射线衍射，作者发现零场螺旋磁性态的磁性螺旋性在自旋旋翼晶格形成后发生反转，表明自旋旋翼晶格稳定化的能量收益超过 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用，挑战了传统观点中认为反位交换是驱动自旋旋翼晶格形成的首要机制。

ABSTRACT

Magnetic skyrmions are particle-like spin-swirling objects ubiquitously realized in magnets. They are topologically stable chiral kinks composed of multiple modulation waves of spiral spin structures, where the helicity of each spiral is usually selected by antisymmetric exchange interactions in noncentrosymmetric crystals. We report an experimental observation of a distorted triangular lattice of skyrmions in the polar tetragonal magnet EuNiGe$_3$, reflecting a strong coupling with the lattice. Moreover, through resonant x-ray diffraction, we find that the magnetic helicity of the original spiral at zero field is reversed when the skyrmion lattice is formed in a magnetic field. This means that the energy gain provided by the skyrmion lattice formation is larger than the antisymmetric exchange interaction. Our findings will lead us to a further understanding of emergent magnetic states.

研究动机与目标

• 研究非中心对称四角晶系磁性材料 EuNiGe₃ 中的磁结构及自旋旋翼晶格形成机制。
• 确定 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用 (DMI) 在稳定自旋旋翼晶格中的作用。
• 研究具有极性对称性的体系中磁序与基底晶格之间的耦合机制。
• 通过比较零场与外场下相的螺旋性状态，阐明自旋旋翼晶格形成的起源。
• 明确在该体系中，是 DMI 还是高阶交换相互作用主导驱动自旋旋翼晶格的形成。

提出的方法

• 采用在 Eu L₃ 边的共振X射线衍射 (RXD)，以实现对磁结构的元素特异性和螺旋性敏感探测。
• 利用偏振分析和相位延迟器技术，区分磁序的不同傅里叶分量。
• 测量磁性布拉格峰强度随分析器角度和相位延迟器角度的变化，以提取复磁矩分量。
• 通过分析磁散射强度的角依赖性，确定磁结构的螺旋性。
• 结合理论建模，解释观测到的螺旋性反转现象，并证实尽管存在晶格畸变，自旋旋翼晶格态仍能最小化总自由能。
• 对比零场螺旋磁性相与外场诱导的自旋旋翼晶格相的磁结构，评估能量贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 EuNiGe₃ 中的自旋旋翼晶格是否由于强磁-晶格耦合而呈现扭曲三角形晶格？
• RQ2 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用在决定零场下磁结构螺旋性方面起什么作用？
• RQ3 为何在沿 c 轴施加外磁场后，自旋旋翼晶格形成时磁性螺旋性发生反转？
• RQ4 自旋旋翼晶格形成带来的能量收益是否大于 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用的能量代价？
• RQ5 磁结构的高阶傅里叶分量能否证实自旋旋翼晶格中螺旋性的一致性？

主要发现

• 在 EuNiGe₃ 中观察到扭曲三角形自旋旋翼晶格，其偏离理想三角对称性，是由于与四角晶格强耦合所致。
• 零场螺旋磁性态具有单一传播矢量 q ≈ (0.25, 0.05, 0)，其螺旋性由 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用固定。
• 当沿 c 轴施加外磁场时，自旋旋翼晶格形成，其三个组成波均表现出相同的螺旋性，且与零场螺旋性相反。
• 通过共振X射线衍射证实螺旋性反转，表明自旋旋翼晶格形成带来的能量收益超过 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用的能量。
• 磁结构的高阶傅里叶分量（包括 q_D1 - q_D3 处的峰）表现出相同的负螺旋性，证实自旋旋翼晶格中螺旋性的一致性。
• 结果表明，自旋旋翼晶格的稳定机制超越 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用，更可能涉及高阶交换相互作用（如双二次项）。”