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压迫斯格明子的“后果”


J. Chen, W. P. Cai, M. H. Qin(秦明辉), S. Dong, X. B. Lu, X. S. Gao, and J.-M. Liu(刘俊明)


Helical and skyrmion lattice phases in three-dimensional chiral magnets: Effect of anisotropic interactions


Scientific Reports 7, 7392 (2017)


近年来,一系列手征磁体中表现出有趣的螺旋自旋序和特殊的实空间拓扑自旋结构Skyrmion(形状像一个“毛球”或一只“刺猬”),引起了人们广泛的关注。其中,Skyrmion作为准粒子可以被极化电流、梯度电场、梯度磁场等有效驱动,具备了应用于下一代磁性存储器件的很大可能性。更为重要的是,其驱动能效相较于畴壁而言高出很多,抗杂质干扰能力由于拓扑保护而更强,驱动临界电流也更低,就像一个柔软而灵活的“刺猬”可以绕过杂质。(相关背景知识介绍参见继培老师文章:http://pld.nju.edu.cn/cgi-bin/news.cgi?newsid=148) 有了这个应用的由头和足够吸引人的潜力,很多学者展开了大规模研究工作,发表在顶尖和权威期刊的论文层出不穷,令我等仰慕、郁闷而抓狂不已。此外,这类实空间的拓扑相由于去年诺奖而更显得高大上,当然我们也想沾沾这个学术的喜气。

之前的理论研究表明,手征磁体中自旋交互作用、Dzyaloshinskii-Moriya (DM)交换作用、塞曼能以及热涨落的强烈竞争是抚育“小刺猬”生存的根本原因。正因为如此,对其热力学性质的研究依然具有很大的价值,也是我们通过努力可以触摸到并进一步深入探究的热点课题。比如,我们关注到2015年一篇对MnSi磁体压力效应的实验报道:1) 单轴压力使得螺旋序的波矢方向由[111]轴转向压力轴;2) Skyrmion晶格相存在的温度和磁场区间(即“刺猬”的生存空间)可以被可以被外加压力有效调控。这个报道表明了单轴压力可以对“刺猬”进行很好的计划生育,在不违背人权的前提下极大促进“刺猬”社会的稳定和和谐发展,使其更好的为人类社会所用。知其然更需知其所以然,现象背后的微观物理机制还亟待进一步阐明。

一般来说,外加单轴压力可以一定程度改变体系晶格结构,并对自旋间交互作用产生影响。这一论点也得到了最近的第一性原理计算的证实。因此,基于描述手征磁体的经典自旋模型,我们引入了自旋间交换和DM交换各向异性来描述外加单轴压力效应。陈军同学无师自通,用解析方法计算了各向异性模型的基态相图,证明了单波矢螺旋序依然是各向异性模型的基态,并实现了实验报道的螺旋轴向在外加压力下的转变。当外加压力使得螺旋波矢转向面内的时候,可以得到最宽广的Skyrmion晶体相空间。因此,陈军也用蒙特卡罗方法模拟了外磁场下的有限温度相图,很好实现了外加压力下Skyrmion存在区间的转变。或许这就是压迫斯格明子的“后果”。

此外,我们也从能量竞争角度对计算和模拟结果做了进一步分析和解释,表明具有弱DM交互作用的体系压力的调控效果更佳:一定程度阐明了哪个品种的“刺猬”更容易听指挥。因此,本工作从微观角度加深了对体系压力效应的理解,为相关材料的选择提供了参考导向。

无独有偶,最近实验报道,FeGe体系中Skyrmion晶格相在外加压力下发生了扭曲(Skyrmion被压扁),相关理论解释也表明各向异性DM相互作用是“罪魁祸首”。且慢,此时问题来了:被压扁的Skyrmion驱动行为是什么样子的?有没有可能形变的“刺猬”变得很专一,只乐意走固定的路线,可以抵抗其它路线上美食等的诱惑?这样和顺的场景想想就挺令人兴奋的。好吧,希望不远的将来我们能够有机会给大家答案。正所谓:

拓扑相变趣无边,斯子应压我最怜。待到毛球和顺日,与君共话舞中仙。

(陈军、秦明辉撰稿)

In this work, we study the magnetic orders of a classical spin model with anisotropic exchanges and Dzyaloshinskii-Moriya interactions in order to understand the uniaxial stress effect in chiral magnets such as MnSi. Variational zero temperature calculations demonstrate that various helical orders can be developed depending on the interaction anisotropy magnitude, consistent with experimental observations at low temperatures. Furthermore, the uniaxial stress induced creation and annihilation of skyrmions can be also qualitatively reproduced in our Monte Carlo simulations. Our work suggests that the interaction anisotropy tuned by applied uniaxial stress may play an essential role in modulating the magnetic orders in strained chiral magnets.



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