[论文解读] Vital role of anisotropy in cubic chiral skyrmion hosts

M. Preißinger, Kosuke Karube+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2020

Magnetic properties of thin films参考文献 45被引用 4

一句话总结

本研究通过实验量化了立方磁各向异性在CoZnMn基立方手性磁体中的作用，揭示了各向异性强度与特性（从⟨100⟩到⟨111⟩易轴）随温度和Co/Mn比例显著变化。低温下增强的各向异性主导了螺旋q矢量的重取向，引起亚稳态自旋霍奇基子晶格（从六方到方形或菱方）的晶格畸变，并与增强的自旋弛豫速率和非谐性相关。

ABSTRACT

The impact of magnetic anisotropy on the skyrmion lattice (SkL) state in cubic chiral magnets has been overlooked for long, partly because a semi-quantitative description of the thermodynamically stable SkL phase pocket forming near the Curie temperature could be achieved without invoking anisotropy effects. However, there has been a range of phenomena reported recently in these materials, such as the formation of low-temperature tilted conical and SkL states as well as temperature-induced transformations of lattice geometry in metastable SkL states, where anisotropy was suspected to play a key role. To settle this issue on experimental basis, we quantified the cubic anisotropy in a series of CoZnMn-type cubic chiral magnets. We found that the strength of anisotropy is highly enhanced towards low temperatures in all the compounds, moreover, not only the magnitude but also the character of cubic anisotropy drastically varies upon changing the Co/Mn ratio. We correlate these changes with temperature- and composition-induced variations of the helical modulation vectors, the anharmonicity and structural rearrangements of the metastable SkLs and the spin relaxation rates. Similar systematic studies on magnetic anisotropy may not only pave the way for a quantitative and unified description of the stable and metastable modulated spin textures in cubic chiral magnets but would also help exploring further topological spin textures in this large class of skyrmion hosts.

研究动机与目标

• 解决长期以来被忽视的磁各向异性在稳定和塑造立方手性磁体中自旋霍奇基子晶格（SkLs）中的作用。
• 研究各向异性如何影响螺旋q矢量的取向及亚稳态SkL态的对称性。
• 将各向异性的变化与结构和动力学性质（如自旋弛豫速率和晶格各向异性）相关联。
• 建立统一框架，连接各向异性、SkL几何结构与亚稳态中自旋织构的演化。

提出的方法

• 利用场依赖性中子衍射和铁磁共振（FMR）测量磁各向异性，研究（Co0.5Zn0.5）20−xMnx单晶。
• 通过分析q矢量取向与晶格对称性的变化，追踪立方各向异性常数（K1, K2, K4, K6）随温度和成分的变化。
• 使用FMR提取吉尔伯特阻尼系数（α）作为探测亚稳态SkL态中自旋动力学与非谐性的手段。
• 将各向异性的演化与螺旋调制矢量、结构畸变及自旋弛豫速率的变化相关联。
• 应用群论与对称性分析，将各向异性特性（⟨100⟩与⟨111⟩）与SkL晶格几何结构（六方、方形、菱方）联系起来。
• 进行劳厄衍射与磁化率测量，以确认样品质量与磁性相变。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁各向异性如何影响立方手性磁体中螺旋q矢量的取向？
• RQ2 在（Co0.5Zn0.5）20−xMnx体系中，立方各向异性如何随温度与成分变化？
• RQ3 低温下增强的各向异性如何驱动亚稳态自旋霍奇基子晶格从六方对称性转变为方形或菱方对称性？
• RQ4 各向异性在诱导亚稳态SkL态中非谐性与自旋弛豫方面起什么作用？
• RQ5 吉尔伯特阻尼系数能否作为自旋霍奇基子晶格中拓扑自旋织构畸变的可靠指标？

主要发现

• 立方各向异性强度在低温下显著增强，其中Co9Zn9Mn2与Co10Zn10的增强最为明显。
• 随着Co含量增加，各向异性特性由⟨100⟩型易轴演变为⟨111⟩型易轴，尤其在Co10Zn10中表现显著。
• 在Co10Zn10中，由于高阶各向异性项的作用，亚稳态自旋霍奇基子晶格从六方转变为菱方结构，q矢量沿⟨111⟩方向对齐。
• 在Co7Zn7Mn6、Co8Zn8Mn4与Co9Zn9Mn2中，亚稳态SkL演化为方形晶格，自旋霍奇基子沿⟨100⟩轴方向拉长，归因于增强的各向异性。
• 在具有畸变亚稳态SkL的化合物中，吉尔伯特阻尼系数（α）在低温下增加，且与q矢量非谐性及晶格畸变强烈相关。
• α与|q|矢量的温度依赖性表现出相似趋势，表明其具有共同的微观起源，与增强的各向异性和Mn自旋涨落相关。