Найдены новые низкотемпературные солитонные структуры в деформированном киральном магнетике

Пятница, 03 июля 2020

Международная команда ученых из Швейцарии, России, Японии и Франции провела серию экспериментальных и теоретических исследований низкотемпературных эффектов в киральном кубическом магнетике FeGe с одноосной деформацией. Экспериментальные результаты, полученные на синхротронах PhotonFactory (Япония) и SOLEIL (Франция), объяснены сотрудником Отделения теоретической физики НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ.

Взаимодействие Дзялошинского-Мория возникает в магнитных кристаллах без центра инверсии. К таким системам, в частности, относятся кубические киральные магнетики со структурой типа B20 (MnSi, FeGe, Fe0.5Co0.5Si, и др.).В данных системах конкуренция между Гейзенберговским симметричным обменным взаимодействием и взаимодействием Дзялошинского-Мория может привести к появлению спиральных магнитных структур с периодом от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров [1]. Интерес к таким магнитным структурам связан, в первую очередь, с экзотическими солитонными спиновыми структурами, возникающими при приложении магнитного поля (Рис. 1). Так, квази-одномерные доменные стенки (или киральные солитонные решетки, КСР) и квази-двумерные скирмионные решетки (СкР) рассматриваются в качестве перспективных кандидатов для устройств электроники нового поколения [2,3]. Последние состоят из магнитных вихрей с нетривиальным топологическим зарядом, что делает возможным их применение для создания быстрой и энергоэффективной магнитной оперативной памяти. Недавно было обнаружено, что деформация растяжения приводит к снижению кубической симметрии в тонких пластинах соединений B20, и сопутствующей деформации СкР и отдельных вихрей, а также к возможности образования КСР [4,5].

Эти работы нашли продолжение в серии экспериментов по резонансному малоугловому рассеянию мягкого рентгена (РМУРМР). На тонкой (200 нм) пластине FeGe с одноосной деформацией было показано, что при низкой температуре (T = 15 K) КСР возникает при приложении магнитного поля перпендикулярно оси растяжения кристалла, результаты исследований приняты к публикации в Physical Review B [6]. В эксперименте такое поведение магнитной структуры легко обнаружить благодаря появлению вторых гармоник магнитного рассеяния (Рис. 2) и их поведением в зависимости от величины приложенного поля, которое определяется уравнением синус-Гордона.

«Исследование ясно показало, что киральные солитонные решётки могут существовать в высокосимметричных (кубических) магнитных кристаллах благодаря механическому воздействию. Это дает новые возможности управлять магнитной структурой вещества на наноразмерых масштабах», - сообщает автор исследования Виктор Уклеев, выпускник аспирантуры НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ, в настоящее время сотрудник лаборатории нейтронных исследований PSI (Швейцария).

Помимо КСР в эксперименте было исследовано поведение метастабильной скирмионной решётки при низких температурах. Благодаря возможностям РМУРМР установки, стабильность СкР впервые была изучена в нестандартной геометрии – магнитное поле прилагалось в плоскости образца. Сравнение экспериментальных картин рассеяния и микромагнитного моделирования по методу Ландау-Лифшица-Гилберта (ЛЛГ) показало необычный сценарий «разматывания» скирмионной решетки (Рис. 3). В данном сценарии отдельные домены вихрей разрушаются, образовывая сильно разупорядоченную геликоидальную структуру, что в картине малоуглового рассеяния отображается в виде перераспределения интенсивности от ярких дифракционных пиков к однородному кольцу.

При интерпретации экспериментальных данных важную роль сыграла теоретическая модель, предложенная и проанализированная Олегом Утесовым (научный сотрудник Сектора теории конденсированного состояния Отделения теоретической физики). Исходя из симметрии системы, была рассмотрена модель, в которой одноосное растяжение рассматривалось как источник слабой анизотропии типа легкая плоскость в перпендикулярном к деформации направлении. В модели также учитывалось изменение обменного взаимодействия и взаимодействия Дзялошинского-Мория для соседних по направлению напряжения спинов. Основным состоянием такой системы в отсутствии внешнего поля является плоская спираль, распространяющаяся вдоль оси растяжения. Приложение внешнего магнитного поля в плоскости вращения спинов приводит к ее искажению, описываемому моделью синус-Гордона, а при достижении полем критического значения происходит переворот плоскости спирали: она становится перпендикулярной направлению поля. В рамках теоретической модели было получено выражения для поля переворота спирали, из его сравнения с экспериментом была определена константа анизотропии.  Этот важный параметр был использован для проведения микромагнитного моделирования.

«Сочетание экспериментальных, аналитических методов и численного моделирования позволило всесторонне проанализировать рассматриваемую систему и сделать важные общие выводы касательно поведения деформированных спиральных магнетиков со структурой B20», - подчеркивает в заключение Олег Утесов.

[1] I. Dzyaloshinsky, Journal of Physics and Chemistry of Solids 4, 241 (1958); T. Moriya, Physical Review 120, 91 (1960).

[2] Y. Togawa, et al., Physical Review Letters 111, 197204 (2013).

[3]N. Nagaosa, Y.Tokura, Nature Nanotechnology 8, 12, 899(2013).

[4] K. Shibata, et al., Nature Nanotechnology 10, 589 (2015).

[5] Y. Okamura, et al., Phys. Rev. B 96, 174417 (2017).

[6] V. Ukleev, et al., Phys. Rev. B, accepted, (2020) https://journals.aps.org/prb/accepted/6607fO6eE7a1fd4590a43c79d7976f72ccaadf4cd

Теги
фгбу пияф им. Б. П. Константинова Национальный исследовательский центр Курчатовский институт