[论文解读] Universal spin chirality fluctuation in two-dimensional Ising ferromagnets

Wenbo Wang, Matthew Daniels+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2018

Advanced Condensed Matter Physics被引用 1

一句话总结

本研究通过二维Ising铁磁体SrRuO₃和V掺杂Sb₂Te₃薄膜在居里温度以上的拓扑霍尔效应（THE），首次提供了普遍自旋手性涨落的直接证据。结合温度、磁场、厚度和载流子类型依赖性以及蒙特卡罗模拟，作者证明了此类系统中自旋手性涨落具有普遍性，确立了探测二维磁体中拓扑自旋纹理的新范式。

ABSTRACT

Non-coplanar spin textures with scalar spin chirality can generate effective magnetic field that deflects the motion of charge carriers, resulting in topological Hall effect (THE), a powerful probe of the ground state and low-energy excitations of correlated systems. However, spin chirality fluctuation in two-dimensional ferromagnets with perpendicular anisotropy has not been considered in prior studies. Herein, we report direct evidence of universal spin chirality fluctuation by probing the THE above the transition temperatures in two different ferromagnetic ultra-thin films, SrRuO$_3$ and V doped Sb$_2$Te$_3$. The temperature, magnetic field, thickness, and carrier type dependences of the THE signal, along with our Monte-Carlo simulations, unambiguously demonstrate that the spin chirality fluctuation is a universal phenomenon in two-dimensional Ising ferromagnets. Our discovery opens a new paradigm of exploring the spin chirality with topological Hall transport in two-dimensional magnets and beyond

研究动机与目标

• 研究具有垂直磁各向异性的二维Ising铁磁体中自旋手性涨落的存在性及其普遍性。
• 确定此类涨落是否在铁磁相变温度以上依然存在，从而挑战以往认为其仅在有序基态中起作用的假设。
• 确立拓扑霍尔效应作为超薄薄膜体系中自旋手性涨落的可靠探测手段。
• 在不同材料（包括SrRuO₃和V掺杂Sb₂Te₃）之间验证该现象的普遍性。

提出的方法

• 在SrRuO₃和V掺杂Sb₂Te₃超薄铁磁薄膜中探测居里温度以上的拓扑霍尔效应（THE）。
• 测量THE信号对温度、磁场、薄膜厚度和载流子类型的变化依赖性，以提取动态自旋手性行为。
• 通过蒙特卡罗模拟建模自旋构型，并重现观测到的THE信号。
• 分析THE信号的标度行为，以识别自旋手性涨落的普遍特征。
• 比较不同材料间的实验THE响应，确认其在不同磁性体系中的普遍性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在二维Ising铁磁体中，自旋手性涨落是否可在居里温度以上被观测到？
• RQ2 THE信号对温度、磁场、厚度和载流子类型的变化依赖性是否在不同二维铁磁材料中表现出普遍行为？
• RQ3 蒙特卡罗模拟能否重现观测到的THE信号，从而证实该信号源于自旋手性涨落？
• RQ4 拓扑霍尔效应是否可作为探测无序或涨落磁态中自旋手性涨落的可靠探针？
• RQ5 所观测到的涨落是否表现出与材料特异性细节无关的普遍标度行为？

主要发现

• 在SrRuO₃和V掺杂Sb₂Te₃薄膜中，拓扑霍尔效应在居里温度以上依然存在，表明存在动态自旋手性涨落。
• THE信号在不同薄膜厚度和载流子类型下表现出普遍标度行为，证实其起源于自旋手性涨落的共同机制。
• 蒙特卡罗模拟成功重现了实验THE数据，验证了该信号源于具有标量自旋手性的非共面自旋织构。
• THE的观测温度和磁场依赖性与普遍自旋手性涨落一致，而非长程磁序。
• 结果表明，具有垂直各向异性的二维Ising铁磁体中，自旋手性涨落是一种普遍现象。