[论文解读] Large Noncollinearity and Spin Reorientation in the Novel Mn2RhSn Heusler Magnet

Olga Meshcheriakova, Stanislav Chadov+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2014

Heusler alloys: electronic and magnetic properties被引用 7

一句话总结

本研究识别出Mn2RhSn是一种新型非共线Heusler磁体，由于竞争的Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用和磁各向异性，表现出显著的自旋倾倒及温度驱动的自旋再取向转变。理论微磁分析揭示了一个稳定Skyrmion的区域，其手性扭曲长度约为130 nm，临界参数κ ≈ 0.95，表明其接近Skyrmion相，使Mn2RhSn成为基于Skyrmion的自旋电子学器件的有前途候选材料。

ABSTRACT

Noncollinear magnets provide essential ingredients for the next generation memory technology. It is a new prospect for the Heusler materials, already well known due to the diverse range of other fundamental characteristics. Here, we present a combined experimental and theoretical study of novel noncollinear tetragonal Mn2RhSn Heusler material exhibiting unusually strong canting of its magnetic sublattices. It undergoes a spin-reorientation transition, induced by a temperature change and suppressed by an external magnetic field. Because of the presence of Dzyaloshinskii-Moriya exchange and magnetic anisotropy, Mn2RhSn is suggested to be a promising candidate for realizing the Skyrmion state in the Heusler family.

研究动机与目标

• 研究新型四角晶系Mn2RhSn Heusler化合物中大非共线性的起源。
• 理解温度诱导自旋再取向转变的机制。
• 通过微磁建模评估Mn2RhSn承载Skyrmion相的潜力。
• 确定Dzyaloshinskii-Moriya相互作用与磁各向异性在稳定非共线磁结构中的作用。
• 基于Skyrmion动力学评估该材料在未来的自旋电子学应用中的适用性。

提出的方法

• 结合实验与第一性原理理论分析，以确定电子与磁结构。
• 使用包含Dzyaloshinskii-Moriya（DM）交换和各向异性项的有效哈密顿量进行微磁建模。
• 从ab initio基态数据计算有效耦合常数（A, D, K）。
• 利用手性扭曲长度Λ = 4πA/|D|估算Skyrmion稳定性。
• 通过临界参数κ = π|D|/(4√(A K))评估Skyrmion相存在的可能性。
• 分析磁构型，包括双扭曲Skyrmion及在再取向转变附近的反铁磁l-模。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在强烈的Mn–Mn反平行交换耦合，Mn2RhSn中大非共线性的原因是什么？
• RQ2 温度如何诱导Mn2RhSn中的自旋再取向转变？
• RQ3 Dzyaloshinskii-Moriya相互作用在稳定非共线磁态中起什么作用？
• RQ4 Mn2RhSn能否承载Skyrmion相，其条件是什么？
• RQ5 磁各向异性和DM耦合如何影响该体系中Skyrmion的稳定性？

主要发现

• 由于近邻反平行交换（J ≈ -20 meV）与通过主族元素Z的次近邻超交换（j）之间的竞争，Mn2RhSn表现出大的自旋倾倒角。
• 该材料经历由非共线到共线铁 ferrimagnetic（FiM）序的温度诱导自旋再取向转变。
• 微磁建模预测其手性扭曲长度为Λ ≈ 130 nm，表明有利于Skyrmion形成。
• 临界参数κ ≈ 0.95接近场致Skyrmion晶格形成的阈值（κ > 1.14），表明其接近Skyrmion相。
• 在再取向转变附近，软反铁磁l-模与铁磁F-模共旋转，并在Skyrmion中心形成涡旋样缺陷，表明可能存在复杂的孤子拓扑结构。
• 该体系的非中心对称结构及竞争相互作用支持非均匀磁态的存在，包括局域化的Skyrmion样磁结构。