[论文解读] Ferroelectric Skyrmions and a Zoo of Multiferroic Phases in GaV4S8

E. Ruff, S. Widmann+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2015

Multiferroics and related materials参考文献 40被引用 2

一句话总结

本研究证明，GaV4S8 包含三种具有共存铁电（FE）极化和磁序的多铁相，其中包括一种自旋旋翼子晶格（SkL）相，其自旋驱动的铁电极化在自旋旋翼子核心附近表现出强烈的空间调制。该机制源于自旋结构与晶体质对称性的交换压缩效应，实现了对自旋旋翼子的电场调控——这是迈向非耗散、电控自旋旋翼子基存储器件的关键一步。

ABSTRACT

Skyrmions are whirl like topological spin objects with high potential for future magnetic data storage. It is a fundamental question, relevant for both basic research and application, if a ferroelectric (FE) polarization can be associated with their magnetic texture and if these objects can be manipulated by electric fields. Here, we study the interplay between magnetism and electric polarization in the lacunar spinel GaV4S8, which undergoes a structural transition associated with orbital ordering at 44 K and reveals a complex magnetic phase diagram below 13 K, including a ferromagnetic (FM), cycloidal, and Neel-type skyrmion lattice (SkL) phase. We found that the orbitally ordered phase of GaV4S8 is FE with a sizable polarization of ~1 {\mu}C/cm2. Moreover, we observed spin-driven excess polarizations in all magnetic phases and, hence, GaV4S8 hosts three different multiferroic phases with coexisting polar and magnetic order. These include the SkL phase where we predict a strong spatial modulation of the FE polarization close to the skyrmion cores. By taking into account the crystal symmetry and spin patterns of the magnetically ordered phases, we identify the exchange striction as the main microscopic mechanism behind the spin-driven FE polarization in each multiferroic phase. Since GaV4S8 is unique among the known SkL host materials due to its polar crystal structure and the observed strong magnetoelectric effect, this study is an important step towards the non-dissipative electric-field control of skyrmions.

研究动机与目标

• 研究反缺位尖晶石 GaV4S8 中磁性与电极化之间的相互作用。
• 确定铁电极化是否可由如自旋旋翼子等磁性结构诱导产生。
• 确定多铁相中自旋驱动极化的微观起源。
• 探索在极性晶体结构中通过电场调控自旋旋翼子的潜力。
• 确立 GaV4S8 作为通过电场实现非耗散自旋旋翼子调控的平台。

提出的方法

• 利用介电和热释电技术，在 GaV4S8 的磁相图中测量电极化。
• 分析铁磁、螺旋型和 Néel 型自旋旋翼子晶格（SkL）相中的晶体对称性与自旋构型。
• 通过理论建模解释交换压缩机制，以阐明自旋驱动铁电极化的成因。
• 利用对称性与自旋结构分析，识别出自旋旋翼子核心附近的极化调制。
• 将 44 K 时的轨道有序与材料中铁电性的出现相关联。
• 运用群论与自旋-晶格耦合，建立磁序与极化响应之间的联系。

实验结果

研究问题

• RQ1 GaV4S8 中的磁性自旋旋翼子结构是否可诱导出铁电极化？
• RQ2 GaV4S8 多铁相中自旋驱动铁电极化的微观起源是什么？
• RQ3 在自旋旋翼子晶格相中，极化在空间上如何变化，特别是在自旋旋翼子核心附近？
• RQ4 GaV4S8 中的铁电响应主要由轨道有序还是自旋-晶格耦合驱动？
• RQ5 由于其强烈的磁电耦合，是否可利用电场在 GaV4S8 中操控自旋旋翼子？

主要发现

• GaV4S8 的轨道有序相表现出约 1 μC/cm² 的铁电极化。
• GaV4S8 的所有磁相——铁磁、螺旋型和 Néel 型自旋旋翼子晶格——均表现出自旋驱动的额外极化，证实存在三种不同的多铁相。
• 在自旋旋翼子晶格相中，预测铁电极化在自旋旋翼子核心附近表现出强烈的空间调制。
• 交换压缩机制被确定为所有多铁相中自旋驱动铁电性的主要微观起源。
• GaV4S8 是首个已知具有极性晶体结构和强磁电耦合的自旋旋翼子宿主材料，为实现电场调控自旋旋翼子提供了可能。
• 自旋结构、晶体对称性与晶格畸变之间的相互作用是多铁行为的基础，为非耗散自旋旋翼子操控提供了可行路径。