[论文解读] Meron-antimeron crystals in noncentrosymmetric itinerant magnets on a triangular lattice

Satoru Hayami, Ryota Yambe|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 90被引用 44

一句话总结

该论文提出，通过自旋-电荷耦合产生的双二次相互作用与自旋-轨道耦合产生的Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用的协同作用，可在三角晶格上的非中心对称巡游磁体中稳定形成梅龙-反梅龙晶体（MAX）。通过在有效自旋模型上进行模拟退火，作者识别出矩形和三角形MAX相，其中三角形MAX表现出高度各向异性的场响应，在特定磁场取向下会转变为自旋霍奇金晶体。

ABSTRACT

Multiple-$Q$ magnetic states often induce nontrivial topological spin textures, such as a skyrmion and a hedgehog. We theoretically investigate yet another multiple-$Q$ state with topological defects, a meron-antimeron crystal (MAX), represented by a periodic array of the meron and antimeron with a half-integer skyrmion number. Performing simulated annealing for an effective spin model of noncentrosymmetric itinerant magnets on a triangular lattice, we show that rectangular-shaped and triangular-shaped MAXs are stabilized by the interplay between the biquadratic interaction arising from the spin-charge coupling and the Dzyaloshinskii-Moriya interaction arising from the spin-orbit coupling. We also discuss the effect of a magnetic field on the triangular MAX, where highly anisotropic responses against a field direction are found. In particular, we show that the triangular MAX turns into the skyrmion crystal for the fields along the $y$ and $z$ directions, while it is replaced by another chiral state for the field along the $x$ direction. These results would inspire further experimental investigation of the MAXs in itinerant magnets.

研究动机与目标

• 研究非中心对称巡游磁体在三角晶格上梅龙-反梅龙晶体（MAX）的稳定性。
• 识别促成三角形MAX相形成的微观机制。
• 探究三角形MAX在外加磁场下的响应，确定磁场方向依赖的相变行为。
• 阐明双二次相互作用与Dzyaloshinskii-Moriya相互作用在稳定奇异多-Q态中的作用。

提出的方法

• 从具有C6v对称性的三角晶格上的Kondo晶格哈密顿量出发，推导出包含相对论自旋-轨道耦合的有效自旋模型。
• 在动量空间中包含对称的各向异性RKKY、Dzyaloshinskii-Moriya（DM）、双二次及单离子各向异性相互作用。
• 通过模拟退火方法在参数空间中探索基态，识别出稳定的MAX与SkX相。
• 利用自旋霍奇金数和自旋密度波叠加分析自旋纹理，对多-Q态进行分类。
• 在外加磁场沿不同方向时，探测三角形MAX中的场致相变行为。
• 采用傅里叶分析与自旋纹理可视化方法，表征三角形MAX的三波矢（3Q）态特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 非中心对称巡游磁体在三角晶格上能否稳定形成梅龙-反梅龙晶体（MAX）？
• RQ2 双二次相互作用与Dzyaloshinskii-Moriya相互作用在稳定三角形MAX相中起什么作用？
• RQ3 外加磁场如何影响三角形MAX的稳定性与拓扑性质？
• RQ4 三角形MAX向其他手性磁态转变的相变行为是否具有磁场方向依赖性？

主要发现

• 三角形MAX由自旋-电荷耦合产生的双二次相互作用与自旋-轨道耦合产生的Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用协同作用而稳定。
• 三角形MAX被表征为由三个具有不同强度的螺旋自旋密度波组成的3Q态。
• 随着DM相互作用增强，三角形MAX转变为具有自旋霍奇金数±1的三角形自旋霍奇金晶体（SkX）。
• 当双二次相互作用减小时，形成由两个等强度螺旋波组成的矩形MAX相。
• 当外加磁场沿y或z方向时，三角形MAX转变为自旋霍奇金数为±1的自旋霍奇金晶体。
• 当磁场沿x方向时，场诱导出一种与SkX不同的独特手性磁有序，表明其具有高度各向异性的场响应。