[论文解读] Melting a skyrmion lattice topologically: through the hexatic phase to a skyrmion liquid

Ping Huang, Marco Cantoni+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2018

Magnetic properties of thin films被引用 9

一句话总结

本研究通过低温洛伦兹透射电子显微镜（cryo-LTEM）实验首次证实了Cu2OSeO3中自旋子晶格的拓扑熔化过程，揭示了其经历六次相（hexatic phase）的两步转变，最终形成自旋子液相——这验证了KTHNY理论在二维磁性系统中的预测，并确立了自旋子在体材料中作为具有粒子行为的稳定准粒子。

ABSTRACT

Skyrmions are twirling magnetic textures whose non-trivial topology leads to particle-like properties promising for information technology applications. Perhaps the most important aspect of interacting particles is their ability to form thermodynamically distinct phases from gases and liquids to crystalline solids. Dilute gases of skyrmions have been realized in artificial multilayers, and solid crystalline skyrmion lattices have been observed in bulk skyrmion hosting materials. Yet, to date melting of the skyrmion lattice into a skyrmion liquid has not been reported experimentally. Through direct imaging with cryo-Lorentz transmission electron microscopy, we demonstrate that the skyrmion lattice in the material Cu$_2$OSeO$_3$ can be dynamically melted. Remarkably, we discover this melting process to be a topological defects mediated two-step transition via a theoretically hypothesized hexatic phase to the liquid phase. The existence of hexatic and liquid phases instead of a simple fading of the local magnetic moments upon thermal excitations implies that even in bulk materials skyrmions possess considerable particle nature, which is a pre-requisite for application schemes.

研究动机与目标

• 通过实验探究体材料中自旋子晶格的熔化路径，挑战当前认为自旋子晶格在热或场激发下仅会‘逐渐消失’的普遍观点。
• 确定自旋子晶格是否经历类似于KTHNY理论中二维系统所预测的拓扑相变，即经历一个中间的六次相。
• 确立自旋子液相的存在，其具有短程位置序但无长程取向序，表明其表现出集体的粒子行为。
• 通过观察相变过程中持久存在的拓扑缺陷及关联函数的衰减动力学，验证自旋子在体材料中的粒子本质。

提出的方法

• 采用低温洛伦兹透射电子显微镜（LTEM）在28 K下直接成像150 nm厚的单晶Cu2OSeO3样品中的自旋子构型。
• 对实空间LTEM图像进行傅里叶变换分析，提取布拉格峰图案、弧状特征和圆形对称性，分别表征固相、六次相和液相。
• 应用自旋子位置的Voronoi镶嵌法识别拓扑缺陷（5重和7重配位点），并量化晶格无序度。
• 计算取向序参数Ψ6及其空间关联函数G6(r)，以区分固相（长程序）、六次相（代数衰减）和液相（指数衰减）。
• 从LTEM视频中提取时间关联函数G6(t)，分析各相中取向序的动态涨落。
• 对G6(r)和G6(t)进行幂律和指数拟合，量化衰减指数并识别相变附近的临界行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在体材料Cu2OSeO3中，自旋子晶格是否如KTHNY理论所预测的那样，通过六次相经历两步拓扑熔化转变？
• RQ2 自旋子晶格与无序态之间的中间相的性质是什么？它是否表现出准长程取向序？
• RQ3 取向序的空间与时间关联如何在熔化过程中演化？它们揭示了自旋子的何种粒子行为特征？
• RQ4 自旋子液相是否可以稳定存在并被表征？尽管长程序消失，它是否仍保持短程序？

主要发现

• Cu2OSeO3中的自旋子晶格通过两步拓扑转变熔化：固相（三角晶格）→六次相（取向序的代数衰减）→液相（取向序的指数衰减）。
• 在H = 1092 Oe时，通过取向序关联函数G6(r)的幂律衰减（指数η6 = 0.23）实验确认了六次相的存在，其值接近KTHNY理论的临界值0.25。
• 在H = 1124 Oe的液相中，G6(r)表现出指数衰减，表明取向序完全丧失；然而，由于瞬态六次岛的存在，短程代数衰减（η6 = 0.76）仍持续存在。
• 时间关联函数G6(t)在六次相中显示幂律衰减，在液相中则出现向指数衰减的转变，证实了动态涨落及长期序的丧失。
• 熔化过程中，拓扑缺陷（5重和7重配位自旋子）的密度增加，证实了位错在KTHNY机制中的关键作用。
• 结果表明，自旋子在整个熔化过程中始终保持其粒子性特征，其集体行为由拓扑缺陷主导，而非磁序的简单消失。