[论文解读] Skyrmion lattice in centrosymmetric magnets with local Dzyaloshinsky-Moriya interaction

Shi-Zeng Lin|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 44被引用 9

一句话总结

本文证明，尽管整体具有中心对称性，但通过层内局部反演对称性破缺引起的局域Dzyaloshinsky-Moriya相互作用（DMI），可以在中心对称磁体中稳定自旋纹理。该机制使得相邻层中形成手性相反的自旋纹理对，从而形成由交替DMI和层间耦合支持的稳定、平衡态自旋纹理相，为在非手性体系中实现自旋纹理材料提供了新途径。

ABSTRACT

It is common for the local inversion symmetry to break in crystals, even though the whole crystal has global inversion symmetry. This local inversion symmetry breaking allows for a local Dzyaloshinsky-Moriya interaction (DMI) in magnetic crystals. Here we show that the local DMI can stabilize a skyrmion as a metastable excitation or as a skyrmion crystal in equilibrium. We consider the crystal structure with layered structure as an example, where local inversion is violated in each layer but a global inversion center exists in the middle of the two layers. These skyrmions come in pairs that are related by inversion symmetry. The two skyrmions with opposite helicity in a pair form a bound state. We study the properties of a skyrmion pair in the ferromagnetic background and determine the equilibrium phase diagram, where a robust lattice of skyrmion pairs is stabilized. Our results point to a new direction to search for the skyrmion lattice in centrosymmetric magnets.

研究动机与目标

• 探索在全局反演对称性通常禁止DMI的中心对称磁性材料中，稳定自旋纹理相的可能性。
• 研究单个晶胞层内局部反演对称性破缺如何导致局域Dzyaloshinsky-Moriya相互作用（DMI），从而稳定自旋纹理。
• 确定具有交替层间DMI符号的层状铁磁背景中自旋纹理对的平衡相图。
• 分析在层间耦合和外部驱动（如自旋霍尔力矩）作用下，自旋纹理相的稳定性和动力学行为。
• 识别不同层中具有交替手性的自旋纹理相的实验探测策略。

提出的方法

• 构建一个双磁性离子每胞的层状正方晶格的微观模型，其中每层内局部反演对称性被破坏，但整体上保持全局反演对称性。
• 哈密顿量包括近邻跃迁、层间符号交替的局域Rashba自旋轨道耦合，以及导带电子与经典自旋之间的局域Hund耦合。
• 有效DMI源于自旋轨道耦合，方向垂直于层平面，由于反演对称堆叠，相邻层间DMI符号交替。
• 在强耦合极限下应用双交换机制，推导出局域自旋的有效自旋哈密顿量。
• 在40×40晶格上进行数值模拟，以绘制平衡相图并可视化自旋纹理相构型。
• 分析自旋霍尔力矩下的动力学行为，发现由于不同层中自旋纹理相之间的相对运动，产生振荡速度分量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在全局中心对称磁体中，能否稳定自旋纹理相，尽管传统DMI受全局反演对称性禁止？
• RQ2 由单个层内局部反演对称性破缺引发的局域DMI，如何影响自旋纹理的形成？
• RQ3 相邻层间DMI符号交替在稳定具有手性相反自旋纹理对的自旋纹理相中起什么作用？
• RQ4 层间耦合如何影响该体系中自旋纹理相的稳定性和相图？
• RQ5 当不同层中自旋纹理相在自旋霍尔力矩作用下以相对速度运动时，会表现出何种动力学特征？

主要发现

• 在平衡相图中稳定存在一个强韧的自旋纹理相，自旋纹理在相邻层间成对形成，且通过反演对称性关联。
• 由于局域DMI符号交替，相邻层中的自旋纹理具有相反手性，形成具有增强稳定性的束缚态。
• 自旋纹理相在层间耦合作用下保持稳定，两套相位对齐但手性相反且存在相对位移。
• 数值模拟证实了自旋纹理相的存在，其晶格常数与洛伦兹透射电子显微镜和中子散射的实验探测结果一致。
• 在自旋霍尔力矩作用下，不同层中自旋纹理相之间的相对运动产生振荡速度分量，其周期与自旋纹理间距除以相对速度成正比。
• 该体系表现出类似于涡旋相中Shapiro台阶的动力学行为，但其驱动机制源于内在相对运动而非外部交流电流，这是由于马格努斯力占主导地位，远超粘滞阻力。