[论文解读] Microscopic Origin of Interfacial Dzyaloshinskii-Moriya Interaction

Sanghoon Kim, Kohei Ueda+16 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2017

Magnetic properties of thin films参考文献 34被引用 4

一句话总结

本研究通过实验确定了铁磁/重金属异质结构中界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）的微观起源，表明DMI源于轨道占据的非对称性，进而导致轨道磁矩的各向异性和磁偶极矩。密度泛函理论与紧束缚模型计算证实，自旋-轨道耦合及反演对称性破缺通过此机制诱导出手性自旋纹理，为真实材料中的DMI提供了统一的解释。

ABSTRACT

Chiral spin textures at the interface between ferromagnetic and heavy nonmagnetic metals, such as Neel-type domain walls and skyrmions, have been studied intensively because of their great potential for future nanomagnetic devices. The Dyzaloshinskii-Moriya interaction (DMI) is an essential phenomenon for the formation of such chiral spin textures. In spite of recent theoretical progress aiming at understanding the microscopic origin of the DMI, an experimental investigation unravelling the physics at stake is still required. Here, we experimentally demonstrate the close correlation of the DMI with the anisotropy of the orbital magnetic moment and with the magnetic dipole moment of the ferromagnetic metal. The density functional theory and the tight-binding model calculations reveal that asymmetric electron occupation in orbitals gives rise to this correlation.

研究动机与目标

• 确定铁磁/重金属异质结构中界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）的微观起源。
• 通过将DMI与轨道和磁偶极矩各向异性关联，解决理论预测与实验观测之间长期存在的差异。
• 建立DMI强度与铁磁金属中轨道磁矩各向异性的直接实验关联。
• 利用第一性原理计算与真实材料中的紧束缚模拟验证理论模型。

提出的方法

• 利用自旋极化输运与磁成像技术，对多种铁磁/重金属双异质结构中的DMI进行实验测量。
• 采用密度泛函理论（DFT）计算，以获得铁磁层中轨道磁矩及其各向异性的结果。
• 构建紧束缚模型，以模拟电子结构及由轨道占据非对称性引起的DMI贡献。
• 分析界面处自旋-轨道耦合效应与反演对称性破缺，以分离DMI的起源。
• 将计算得到的DMI值与多种材料体系中的实验测量DMI强度进行关联。
• 将磁偶极矩各向异性作为关键可观测量，建立微观电子结构与宏观DMI之间的联系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在FM/重金属异质结构中，导致界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的主要微观电子性质是什么？
• RQ2 d轨道中电子占据的非对称性如何促进DMI的形成？
• RQ3 轨道磁矩各向异性与实验测得的DMI强度之间的相关性程度如何？
• RQ4 第一性原理计算能否再现不同材料体系中观测到的DMI趋势？
• RQ5 自旋-轨道耦合与界面反演对称性破缺如何共同影响DMI机制？

主要发现

• DMI强度与铁磁层中轨道磁矩各向异性之间存在强烈相关性，该结论已在多种材料体系的实验测量中得到证实。
• 由自旋-轨道耦合及界面诱导势能导致的反演对称性破缺所引发的d轨道中电子占据非对称性，直接生成了DMI。
• 密度泛函理论计算表明，轨道磁矩各向异性是界面DMI的主要贡献来源，而非仅自旋-轨道耦合。
• 紧束缚模型模拟再现了观测到的DMI趋势，验证了轨道不对称性在DMI机制中的作用。
• 铁磁金属的磁偶极矩表现出方向各向异性，其方向与DMI矢量一致，提供了直接的实验信号。
• 本研究建立了一个统一的微观图像，表明轨道各向异性和占据非对称性是真实材料中界面DMI的根本原因。