[论文解读] Weak Crystallization of Fluctuating Skyrmion Textures in MnSi

J. Kindervater, Ioannis Stasinopoulos+9 more|Repository KITopen (Karlsruhe Institute of Technology)|Jan 1, 2019

Magnetic properties of thin films被引用 4

一句话总结

本研究证明，在MnSi的顺磁相中，非平凡的拓扑skyrmion纹理在自旋晶体相变之前已预先存在，其寿命超过10 ns，空间尺度大于1000  Å。通过多模态中子与微波光谱技术，作者证实该相变遵循弱结晶化的Landau软模机制，其中涨落自旋场的三角调制矢量已编码了长程有序skyrmion晶格的拓扑缠绕特性。

ABSTRACT

We report an experimental study of the emergence of nontrivial topological winding and long-range order across the paramagnetic-to-skyrmion lattice transition in the transition metal helimagnet MnSi. Combining measurements of the susceptibility with small-angle neutron scattering, neutron-resonance spin-echo spectroscopy, and all-electrical microwave spectroscopy, we find evidence of skyrmion textures in the paramagnetic state exceeding 10³ Å, with lifetimes above several 10⁻⁹s. Our experimental findings establish that the paramagnetic-to-skyrmion lattice transition in MnSi is well described by the Landau softmode mechanism of weak crystallization, originally proposed in the context of the liquid-to-crystal transition. As a key aspect of this theoretical model, the modulation vectors of periodic small-amplitude components of the magnetization form triangles that add to zero. In excellent agreement with our experimental findings, these triangles of the modulation vectors entail the presence of the nontrivial topological winding of skyrmions already in the paramagnetic state of MnSi when approaching the skyrmion lattice transition.

研究动机与目标

• 研究MnSi在顺磁相到skyrmion晶格相变过程中拓扑skyrmion序的出现。
• 确定非平凡的拓扑缠绕与长程序是否同时发展，或skyrmion样纹理是否在顺磁态中已预先存在。
• 检验该相变是否受类似于液相到晶相转变的弱结晶机制支配，如Landau与Brazovski所提出的理论。
• 识别涨落的多{ρ}Q模在长程序建立之前如何编码拓扑特征。

提出的方法

• 结合交流磁化率测量，探测相变附近的动态响应。
• 采用小角中子散射（SANS）检测特征尺度超过1000  Å的涨落纹理。
• 利用中子共振自旋回波光谱技术测量涨落自旋分量的弛豫时间，获得寿命高于10  ns的结果。
• 应用全电学微波光谱技术探测顺磁相中的集体模式与动态关联。
• 使用Landau弱结晶框架分析自由能泛函，重点关注自旋傅里叶分量中的立方项：∑_{q1+q2+q3=0} (m_{q1}⋅m_{q2})(m_{q3}⋅m_{q1})δ_{q1+q2+q3,0}。
• 将观测到的涨落动力学与Brazovski提出的涨落诱导一级相变及约0.4 T处的三临界行为进行比较。

Figure 1: Longitudinal and transverse ac susceptibility. (a)–(d) Colormaps of the real and imaginary part of the longitudinal and transverse susceptibility, $\chi_{\mathrm{ac}}^{\mathrm{L}}$ and $\chi_{\mathrm{ac}}^{\mathrm{T}}$ , for field along $\langle 100\rangle$ after zero-field cooling. Data p

实验结果

研究问题

• RQ1 在长程skyrmion晶格序出现之前，MnSi的顺磁相中是否存在拓扑非平凡的skyrmion纹理？
• RQ2 顺磁相到skyrmion晶格相变是否由Landau软模理论所描述的弱结晶机制所主导？
• RQ3 顺磁态中的涨落多{ρ}Q模是否已携带skyrmion晶格的拓扑缠绕特征？
• RQ4 skyrmion晶格序的出现是否可理解为一种由涨落驱动的相变，且在中等磁场下存在三临界点？

主要发现

• 在MnSi的顺磁相中观测到空间尺度超过1000  Å的涨落skyrmion纹理，表明存在预先形成的拓扑序。
• 这些纹理的寿命超过10  ns，表明在顺磁态中存在长寿命的动力学关联。
• 顺磁相到skyrmion晶格相变可被Landau弱结晶软模机制良好描述，其中自旋的三角调制矢量在动量空间中形成闭合三角形。
• 在顺磁相中存在此类三角波矢构型，直接蕴含了skyrmion晶格的非平凡拓扑缠绕特性，即使在长程序出现之前亦然。
• 该相变在约0.4 T处表现出三临界点，此时相变为二级相变，与Brazovski提出的涨落诱导一级相变情景一致。
• 实验结果证实，skyrmion晶格的关键拓扑特征已编码于顺磁态的涨落模式中，支持通过弱结晶实现skyrmion形成的统一描述。

Figure 2: Small-angle neutron scattering in an applied magnetic field parallel [ (a)–(c) ] and perpendicular [ (d)–(f) ] to the neutron beam. (a),(d) Typical SANS patterns for temperatures within the skyrmion lattice state, just above $T_{c}$ , and well above $T_{c}$ (from left to right). (b),(e) Te