Quasi-1D Spin Textures: From Chiral Soliton Lattice to Fan State

技術要約：準1次元スピンテクスチャ：カイラルソリトン格子からファン状態へ

問題提起
ほとんどのヘリ磁性体では、磁場を印加すると、磁場が螺旋状のスピンテクスチャの伝搬方向と整列し、結果としてコニカル状態（円錐状態）を形成するため、巻き戻しのプロセスが不明瞭になります。スカミオンのような二次元テクスチャはよく研究されていますが、一次元（1D）変調は、磁場駆動の変形を追跡するためのより単純な設定を提供します。しかし、異方性の強いカイラル磁性体であるMn$_{1.4}$PtSn（Heusler化合物、$D_{2d}$対称性）において、面内磁場に対する応答はこれまでほとんど調査されてきませんでした。主に透過電子顕微鏡（LTEM）を用いた先行研究は、主に面外磁場下でのアンチスカミオンやマルチ$q$状態に焦点を当てていました。LTEMの実験的限界（電子線に対して垂直な磁場が必要であること）により、この高度に異方的な材料における面内応答と面外応答を分離することが困難でした。具体的には、Dzyaloshinskii–Moriya相互作用（DMI）が活性な系において、スピンが磁場方向の周りで振動するトポロジカルに自明なテクスチャである「ファン状態（fan-like state）」が、安定な平衡相として安定化され得るのかどうか（DMIは通常、このような非カイラルな構成を抑制するため）が不明でした。

手法
著者らは、高品質なMn$_{1.4}$PtSn単結晶におけるスピンテクスチャを調査するために、実験的および計算的手法を組み合わせて用いました。

• 試料作製: フォーカスドイオンビーム（FIB）ミリングを用い、結晶の$c$軸を表面法線として、厚さ約80 nmのラメラを作製しました。
• 共鳴弾性X線散乱（REXS）: ダイヤモンド・ライト・ソース（ビームラインI10）において、ポータブルオクトポールマグネット（POMS）を用いて実験を行いました。このセットアップにより、ベクトル磁場印加、具体的には$a$軸に平行な面内磁場を0から450 mTまで掃引しながら、$a$–$b$平面内での運動量転移を測定することが可能となりました。
• 走査透過X線顕微鏡（STXM）: 選択された磁場値における実空間でのドメイン再編成の可視化に使用されました。
• マイクロマグネティックシミュレーション: 以下の2つのアプローチを用いました。
  1. マルチドメイン・シミュレーション: ドメインの再分配と不可逆的な崩壊をシлоレートするために、自由境界条件を持つ有限のスラブ（$2 \times 2 \times 0.1$ $\mu\text{m}^3$）をモデル化しました。
  2. シングルドメイン・シミュレーション: 固有の平衡変調長および$\pi$-カイラルソリトン格子（$\pi$-CSL）とファン状態の間のエネルギー競合を決定するために、周期境界条件を持つ周期的なスラブ（厚さ100 nm）をモデル化しました。

主な貢献と結果
本研究は、Mn$_{1.4}$PtSnにおける面内磁場下での1Dスピンテクスチャの明確な変形経路を明らかにしており、これは面外磁場下での挙動とは対照的です。

1. 磁場誘起相転移:

   • ゼロ磁場では、基底状態は直交する伝搬方向を持つ混合ドメインの$\pi$-CSL（$\text{dom}_{\parallel}$は磁場方向、$\text{dom}_{\perp}$は磁場に垂直）です。
   • 面内磁場を印加すると、システムは一連の変化を起こします。
     • $H < H_1$ (~90 mT): 変調長は一定に保たれます。
     • $H_1 < H < H_2$ (~190 mT): $\text{dom}_{\perp}$ドメインにおいて一次相転移が発生します。$\pi$-CSL（トポロジカル巻き数 $Q \neq 0$）は、スピンが回転を完了せずに磁場方向の周りで対称に振動するファン状態（$Q = 0$）へと急激に巻き戻ります。これは、磁化の不連続なジャンプと、ブラッグピーク強度のシフトによって裏付けられます。
     • $H_2 < H < H_3$ (~240 mT): 磁場方向に伝搬する$\text{dom}_{\parallel}$ドメインが崩壊し、その位相体積が$\text{dom}_{\perp}$のファン状態へと転移します。このプロセスは不可逆であり、磁場をゼロに戻しても、試料は単一ドメインのファン状態のままとなります。
     • $H > H_3$: システムは単一ドメインのファン状態に達し、磁場の増加とともに変調長が連続的に収縮（減少）し、最終的に磁場分極状態へと近づきます。

2. 変調長のダイナミクス:

   • 従来のヘリ磁性体で見られるコニカル状態の形成（通常、変調長の拡大または特定の可換・非可換転移を伴う）とは異なり、この幾何学的配置におけるファン状態は、磁場の増加に伴い変調長が連続的に「収縮」するという特徴を示します。
   • 混合ドメイン領域（$H < H_1$）では、ストライプがドメイン境界を横断して連続的に接続されているため、コニカルに歪んだ$\text{dom}_{\parallel}$（収縮傾向）と$\pi$-CSL $\text{dom}_{\perp}$（拡大傾向）の相反する性質が抑制され、両方のドメインの変調長がロックされていると考えられます。

3. 磁気静力学的相互作用の役割:

   • シミュレーションによれば、バルクにおけるDMIはファン構成（単一の回転方向を持たない）を抑制しますが、有限の厚さを持つ薄膜における磁気静力学的相互作用がファン状態の安定化に極めて重要であることが示されました。
   • 表面の磁束閉鎖ドメインがファン構成のエネルギーコストを低減させることで、$H_1$以上でファン構成がエネルギー的に有利な基底状態となることを可能にしています。

意義
本論文は、DMIを持つカイラル磁性体において、これまで不確実であった「ファン様（fan-like）の領域」が存在することを示す実験的証拠を提供しています。本研究は、磁場の方向が根本的に異なる変形経路を切り替えるスイッチとして機能することを強調しています。

• 面外磁場は、$\pi$-ソリトンの連続的かつトポロジーを保存した高次の$2\pi$-CSLへの凝縮を駆動します。
• 面内磁場は、不連続でトポロジーを破壊する、ファン状態への巻き戻しを駆動します。

著者らは、このメカニズム（有限の厚さを持つカイラル磁性体の薄膜において、磁気静力学的に安定化された非カイラルな変調状態）は、1D変調を宿す他の対称性クラス（例：FeGeやCrNb$_3$S$_6$のような$C_{nv}$ヘリ磁性体）にも適用可能であると結論付けています。中程度の面内磁場を用いてトポロジカルに異なる1D状態を不可逆的に切り替えられる能力は、スピントロニクスやマグニクスデバイスにおける、スピン偏極状態のトポロジーの磁場によるプログラム可能な制御を示唆しています。