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锰锗丛林寻仙记


J. P. Chen, D. W. Zhang, and J.-M. Liu(刘俊明)


Exotic skyrmion crystals in chiral magnets with compass anisotropy


Scientific Reports 6, 29126 (2016)


本工作从理论上研究了手征磁性材料锰锗(MnGe)中的磁结构及其对磁场的响应。首先讲讲主角斯格明子(skyrmion)与刺猬的故事。

【skyrmion】:skyrmion最先是由英国物理学家Tony Skyrme提出来的,用于描述场论中一种局域的粒子结构。Skyrme考虑的是三维skyrmion结构,其形状像一个“毛球”或说酷似一只“刺猬”。人们后来也在量子霍尔铁磁体和冷原子等诸多凝聚态物理体系中发现了这种粒子,而最近几年来在手征磁性材料中发现的skyrmion更是把这种粒子的研究推向了一个热潮。

【刺猬】:相传刺猬和狐狸、黄鼠狼、蛇、乌鸦一样,位列“仙班”。在民间,刺猬被尊称为“白仙”,因而很少有人敢大肆捕杀它们。而MnGe中compass anisotropy(指南针型各向异性)似乎做了一件勇猛的事,它竟然把这位白仙劈成两半……。

回望漫长的历史长河,人类文明的每一次重大进步,都伴随着信息存储方式的革命性突破。从上古时期的结绳记事到龟甲和兽骨上契刻文字,再到东汉时期造纸与印刷术的发明和推广,人类科学、文化知识得以保存和传播。19世纪以来科学技术的迅猛发展,人类又迎来了信息存储技术的大变革。从1898年第一台记录声音的钢丝电话留言机诞生,到1956年第一台实用的磁带录像机面世,人类开始进入了一个“有声有色”的时代。电子计算机的快速发展也对信息存储不断地提出新要求,因而软磁盘、硬磁盘等各种磁存储器件也相继问世。在这场技术革命中,磁存储技术的发展无疑对人类生活和社会发展产生了深远的影响。

在磁记录工业几十年的发展中,磁存储介质一直循着提高存储记录面密度的趋势,并以惊人的速度发展。1956年,硬磁盘驱动器存储记录密度为2Kbit/inch2,而到2005 年时则发展为11Gbit/inch2,五十年内增加了109倍。据此,美国电子工程师和物理学家克拉底在2005年提出克拉底定律:硬磁盘驱动器的存储记录密度每十年半增加1000倍(每13个月翻一倍)。当然,常规磁性存储介质中磁晶粒的尺寸已逐渐达到了纳米量级,晶粒磁矩方向受热扰动的影响变得不稳定,出现了“超顺磁效应”。这使常规磁性存储介质的存储密度和存储能力的继续提高面临挑战。磁性存储介质存储能力高速发展的神话终将难逃“克拉底定律”的魔咒,这一切也许很快就会成为good old days。

然而,贪婪的人类哪会甘心就此罢手。于是一群精明能干的科学家又开始谋划开辟一条新的变革之路——发展新型磁性存储介质,希望继续书写神话。他们成功地将磁学与拓扑学联姻,在磁性材料中孕育出孤子、磁泡、磁单极子、涡旋和斯格明子等大量拓扑自旋结构。自2009年以来,MnSi和Fe0.5Co0.5Si等B20手征磁性材料中skyrmion晶状自旋结构的发现使其快速成为众多研究人员的新宠儿。每个skyrmion粒子带一个磁荷,可以当作一个信息存储单元。并且,与传统磁畴壁相比,磁性skyrmion更稳定、尺寸更小(~5-100nm),驱动其运动的电流更低(~105-106Am-2)。因而,人们相信以skyrmion为基础的存储器件最有希望成为下一代磁性存储的主导。

本工作的故事起因于日本东京大学Yoshinori Tokura小组对B20手征磁体MnGe的实验研究(2009年,也是这个小组首先在实验上观察到了Fe0.5Co0.5Si中出现的skyrmion自旋结构)。其结果表明这种材料出现的拓扑霍尔效应与磁场之间的关系明显不同于其它B20磁性材料。作者通过分析实验数据推测MnGe在零场下的基态skyrmion晶体与通常B20磁性材料的六角skyrmion晶体结构不同。作者对MnGe出现奇特skyrmion晶体给出的解释是,这种材料中存在一个不可忽略的高阶各向异性项,使得螺旋自旋结构q矢量沿着<100>方向。然而作者却未给出这种高阶各向异性的具体形式及其起源。于是我们决定一探这位隐居于MnGe丛林中诡异仙人的真实面目。

基于前人的研究结果,我们认为B20类过渡金属锗化物MnGe是弱电子游离性的铁磁体并具有很强的自旋-轨道耦合,因此用一个扩展的Hubbard模型来描写MnGe,并由此导出一个等效自旋模型。理论分析得出,对自旋-轨道耦合很强的材料而言,哈密顿量中出现的compass型各向异性是一个不可忽视的能量项,这正是我们开展这项研究的物理背景。通过蒙特卡罗模拟方法研究得出compass型各向异性和外加磁场空间中,手征磁体出现的基态相图。相图展示了各种奇异skyrmion晶状结构(不同区域的刺猬仙人展示出各式各样的姿态),而在compass型各向异性相对比较大的区域则出现了半skyrmion和半反skyrmion(半只刺猬)交替排列的自旋结构,这也正是MnGe实验中推测出现的自旋结构。进一步模拟得到这个自旋结构对磁场的响应关系,所得结果和实验数据很好地吻合,这也就表明我们模型的合理性。至此,我们见识了MnGe丛林中诡异仙人的庐山真面目,故事本可以就此结束。

这样的理论分析和经典蒙特卡罗模拟,如果按图说话式地编故事、写文章,恐怕很难引起那些挑剔的物理学者的青睐。于是我们接着从数学解析的角度去分析compass型各向异性对手征磁体中skyrmion的影响,试图写出一篇“大文章”。然而,事情后来的结果是,故事写得太长(当时的手稿长达40多页),以致审稿人褒贬不一。此后我们不得不选取研究工作的部分内容进行投稿。

故事写到这里,遥记起那年炎夏。那时,刘老师身体欠安,但仍坚持在唐楼起早贪黑地加班工作,在阵阵沙哑的咳嗽声中修改完成论文手稿。本工作历经多次修改和投稿。期间因愚人蹉跎岁月,耽搁了一些时日,愚人心中甚是愧疚。文章投稿几经坎坷,但让人感到些许欣慰的是最终得以在Scientific Reports上发表。仰望星空,借着这篇文章撩起的半点星火,陈继培又踏上了寻仙的征程.......。
(陈继培撰稿)

The compass-type anisotropy appears naturally in diverse physical contexts with strong spin-orbit coupling (SOC) such as transition metal oxides and cold atomic gases etc, and it has been receiving substantial attention. Motivated by recent studies and particularly recent experimental observations on helimagnet MnGe, we investigate the critical roles of this compass-type anisotropy in modulating various spin textures of chiral magnets with strong SOC, by Monte Carlo simulations based on a classical Heisenberg spin model with Dzyaloshinsky-Moriya interaction and compass anisotropy. A phase diagram with emergent spin orders in the space of compass anisotropy and out-of-plane magnetic field is presented. In this phase diagram, we propose that a hybrid super-crystal structure consisting of alternating half-skyrmion and half-anti-skyrmion is the possible zero-field ground state of MnGe. The simulated evolution of the spin structure driven by magnetic field is in good accordance with experimental observations on MnGe. Therefore, this Heisenberg spin model successfully captures the main physics responsible for the magnetic structures in MnGe, and the present work may also be instructive to research on the magnetic states in other systems with strong SOC.


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