[论文解读] Wave-nature and intrinsic stability of emergent crystals in chiral magnets

Yangfan Hu|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2017

Magnetic properties of thin films被引用 2

一句话总结

本文确立了手性磁体中的二维拓扑晶体（如磁性斯kyrm子晶体和偶极子skyrmion晶体）表现出波的特性，而非粒子特性。通过系统分析平衡态、亚稳态及相变行为，研究发现这些晶体通过与单-Q自旋密度波的非线性模-模相互作用形成与坍塌，其稳定性源于亚稳态及在不同磁场条件下破坏或保持六边形对称性的软模。

ABSTRACT

Topological spin textures emerging in magnetic materials usually appear in crystalline states. A long-standing dilemma is whether we should understand these emergent crystals as gathering particles or coupling waves, the answer of which affects almost every aspect of our understanding on the subject. Here we prove that 2-D emergent crystals with long-range order in helimagnets, such as skyrmion crystals and dipole skyrmion crystals, have a wave nature. We systematically study their equilibrium properties, metastability, and phase transition path when unstable. We show that the robustness of a skyrmion crystal derives from its metastability, and that its phase transition dynamics at low (high) magnetic field is mediated by a soft mode which breaks (maintains) its hexagonal symmetry. Different from ordinary crystals which are formed by. and breaks into atoms, emergent crystals have a new formation (destruction) mechanism: they appear from (turn to) single-Q spin-density-wave states through nonlinear mode-mode interactions.

研究动机与目标

• 解决长期存在的争议：手性磁体中的涌现晶体应被理解为粒子型还是波型实体。
• 研究螺旋磁体中二维skyrmion晶体和偶极子skyrmion晶体的平衡性质、亚稳态及相变动力学。
• 阐明涌现晶体的形成与破坏机制，特别是与单-Q自旋密度波态的非线性模-模相互作用的作用。
• 确定磁场强度如何影响对称性保持或对称性破缺的软模，从而介导相变。

提出的方法

• 对手性磁体中的自旋哈密顿量进行解析与数值研究，以模拟skyrmion晶体和偶极子skyrmion晶体相。
• 应用非线性自旋波理论，研究单-Q自旋密度波与涌现晶体态之间的模-模相互作用。
• 计算在不同磁场下软模的行为，以识别对称性破缺与对称性保持的相变。
• 分析亚稳态及能量垒，评估skyrmion晶体的鲁棒性。
• 应用群论对晶体的六边形对称性及其在软模激发下的破缺进行分类。
• 通过追踪外场变化下自旋织构与序参量的演化，构建相变路径。

实验结果

研究问题

• RQ1 手性磁体中的涌现晶体在其基态和动力学中是否表现出波特性或粒子特性？
• RQ2 亚稳态在skyrmion晶体鲁棒性中起什么作用？
• RQ3 软模如何在低场与高场条件下介导skyrmion晶体的相变？
• RQ4 涌现晶体从单-Q自旋密度波态形成或恢复的机制是什么？
• RQ5 在不同外场下，晶体态的六边形对称性如何响应软模激发？

主要发现

• 手性磁体中的涌现晶体具有内在的波特性，其稳定性源于亚稳态，而非能量简并。
• 在低磁场下，相变由破坏晶体晶格六边形对称性的软模介导。
• 在高磁场下，软模保持六边形对称性，表明存在不同的相变路径。
• 涌现晶体的形成与破坏通过单化-Q自旋密度波与晶体态之间的非线性模-模相互作用实现。
• 从单化-Q自旋密度波到skyrmion晶体的转变是一个非线性过程，而非准粒子的简单凝聚。
• skyrmion晶体的鲁棒性与存在一个亚稳态能量垒密切相关，该能量垒可抑制其衰变。