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其他
界面磁阻挫:物理可堪用?
Original
Ising
量子材料QuantumMaterials
2023-06-22
大概在二十年前,
Ising
第一次读到
H. T. Diep
编著的《
Frustrated Spin Systems
》一书
(2004
,一本文集
)
。由此,我接触到
Spin frustration
这个凝聚态物理名词和量子磁性的分支。慢慢地,我也指导学生开始做非共线螺旋磁序、自旋波、自旋冰和
Skyrmion
的模拟与实验工作,对
Frustrated Magnetism (
阻挫磁性
)
作为一个学科分支,有了更多认识、体会,并从中汲取知识。在我看来,这一进程,伴随着从“磁性阻挫”转换到“阻挫磁性”的过程。“磁性”与“阻挫”在空间交换位置,满足空间镜面对称。但这一交换的时间反演,就出现了破缺,因为随着时间推进,我们对“磁阻挫”有了更深和更宽广的认识和理解
^_^
:
(1)
磁性阻挫
(magnetic frustration)
:这里,主角是磁性,即长程序,表达的是寻求长程磁有序过程中系统遭遇的挫折和妥协,也表达了物理人的无奈与折中。这里的磁有序,内禀驱动力来自于反铁磁相互作用,而阻挫则源于晶格几何约束或多重作用竞争,如图
1
上部所示。在这一进程中,磁学人慢慢发现,克服磁性阻挫、到达长程磁序的长征非常艰辛。很多时候,磁性阻挫成为磁学的一个老大难问题,导致诸如自旋玻璃这样的“混乱不堪”和“永无休止”的状态或中间态。“混乱不堪”是说缺乏合理的序参量去描述这一状态。“永无休止”是指类似自旋玻璃这样的状态,或者这些中间态的集合;其磁化率或弛豫时间谱都极为宽阔,不是好的、干净的物理。在这个意义上,磁性阻挫是一个情感上略带“贬义”的物理名词。
(2)
阻挫磁性
(frustrated magnetism)
:这里,主角变成了阻挫下的新物理,表达的既是物理人无奈之下的妥协、更是新的物理世界的开拓。物理人的智慧体现在,既然我们不能避免阻挫,那就去理解和利用阻挫:阻挫之中有什么新物理没有?由此,诞生了自旋玻璃物理、自旋波物理;形成了自旋冰结构、手性结构等类长程磁结构
(
这里与长程共线磁有序不同
)
,产生了磁涡旋、磁
Skyrmion
和特定磁畴壁等局域的、类拓扑或非平庸拓扑态,如图
1
下部所示。我们看到,这里的主角是阻挫导致的新磁性态,能激发诸多新物理。在这个意义上,阻挫磁性是一个情感上充满“褒义”和创新的物理名词。
图
1.
所谓磁性阻挫
(
上部
)
和阻挫磁性
(
下部
)
。
磁性阻挫的例子:几种几何阻挫的示意图和可能的局域磁结构。
https://www.omicsonline.org/open-access/spin-frustrated-multiferroics-a-new-way-to-technology-101634.html
阻挫磁性的例子:磁性
Skyrmions
和
Antiskyrmions
点阵,可能蕴含新的物理和应用。
https://phys.org/news/2017-11-frustrated-magnetic-skyrmions-antiskyrmions-enable.html
认识这些新的阻挫磁性,物理方法上的总纲当然是能量尺度。我们知道,从完全无序的顺驰态,到长程铁磁序或反铁磁序,能量的变化尺度在大多数情况下很大,量级多在
~ 100 meV
尺度及以上。但是,从完全无序的顺磁态,到这些阻挫磁性,能量的变化就小了很多,在
~ 10 meV
甚至更小尺度的物理居多。因此,本质上,我们是在原本很“大条”、“粗狂”的磁性相变之外,挖掘一些原本可能被“瞧不上”的能量过程。这些较低的能量尺度,意味着我们正在慢慢接近量子物态、正在接近低温低能区域。也因此,如果将阻挫磁性叫做量子磁性,应该十有八九不离谱。
那好,这里不妨将话题约束到阻挫磁性的一个热门
topic
,即磁
Skyrmion
问题上,以作范例。
Ising
作为一个老学生,一直在认真地追踪学习这个问题上所取得的进展
(
注意到,这些进展相当程度上归功于我国学者的努力
)
。对这些进展,
Ising
坐井观天的视觉印象是:
(1)
能够产生
Skyrmion
的材料和方法;
(2) Skyrmion
的成像与结构表征;
(3) Skyrmion
的运动动力学与操控;
(4) Skyrmion
的关联物理效应。当前的研究,依然集中于
(1)
和
(3)
中,特别是
Skyrmion
的可控产生与控制。
众所周知,磁
Skyrmion
,无论是布洛赫型、奈尔型、各种复合型或者半
Skyrmion
型,都可用拓扑非平庸的手性磁结构来描述。有关
Skyrmion
微结构物理的各种细节,在此不再多论。我们将重点放在产生
Skyrmion
的物理机制上。我们可以基于严格的物理相互作用定义,去讨论形成
Skyrmion
的对称性要求和微观机制,但一个科普级的简单图像,其实可以围绕共线有序磁结构的失稳展开:
(1)
对共线磁结构,如铁磁或反铁磁结构,如果存在与自旋取向垂直的横向有效场,则共线结构易于失稳,导致非共线的手性磁结构。适当的海森堡相互作用、磁各向异性
(
自旋取向
)
和横向有效场的叠加,就可能产生局域非共线和手性磁结构、及至拓扑非平庸的
Skyrmion
结构。这是当下很多产生
Skyrmion
的物理机制之唯象模样。
(2)
从电磁学即可明白,能够产生横向有效场的物理机制,除了外加横向磁场外,最多见的大概就是自旋
-
轨道耦合
SOC
了。
SOC
,最著名的是
DM
相互作用,数学上可写成自旋叉乘的形式,表达的就是横向有效场。
SOC
的其它形式,大多也可写成类似的叉乘作用项。因此,能够产生强
SOC
的方案,都有可能等效视为横向有效场,可能诱发出非平庸的手性磁结构,包括
Skyrmion
。
图
2.
界面和表面引入的物理效应,特别是等效
SOC
和非共线自旋结构和磁手性等性质,引人注目。
(
上部
) A. Soumyanarayanan et al, Emergent phenomena from spin
–
orbit coupling (SOC) at surfaces and interfaces, Nature 539, 509 (2016), https://www.nature.com/articles/nature19820
(
下部
) A. Manchon, Chiral magnetism and spin-orbitronics, https://iramis.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Seminaires/index.php?id=3379
问题是,实际材料的本征
SOC
都相对较弱,即便是
4d / 5d
过渡金属或重金属化合物,
SOC
与海森堡相互作用比较也是小量。这大概是能产生
Skyrmion
的材料种类还不够多的大环境。此情此景之下,凸显
SOC
的方案似乎有两种:选择含有大
SOC
元素的体系,使得
SOC
能与海森堡作用适度竞争;选择自旋阻挫体系,以减小等效海森堡相互作用,凸显
SOC
的效果。
也因此,从本征材料选择角度,对能够产生
Skyrmion
的化合物就有了很大限制。要寻求更多的、能够“轻松”产生
Skyrmion
的载体,就不得不寻求其它的非内禀因素。界面,即为其中一种被证明行之有效的方案。借助界面处的各种对称破缺,为界面附近的区域带来横向场,这是电磁学的基本路数。过去十几年的探索,也证明界面引入的物理可以很丰富。图
2
所示,乃同行总结出来的若干相关物理。这一图景给我们的启示是:即便是
SOC
很小的体系,通过适当方式与其它体系组合,制备成异质结多层膜或超晶格,则界面处对称破缺带来的额外横向场,有可能使得共线磁结构出现显著形变,形成
Skyrmion
。
引入界面带来的附加效应,物理人更多是从界面引入不对称、影响
SOC
物理中各种效应的角度去讨论,如图
2
所示。其中包括对
Skyrmion
形成机制,包括对
DM
相互作用、
Rashba
、
Dresselhaus
效应的讨论。个中的物理分析迥异、理解艰涩,显得比较沉重。实话说,此类分析与推进,成效也有,但作为界面产生
Skyrmion
的方法论而言,显得有些拘束,没有展现出一般性的物理意义和宽度。
图
3. SrIrO
3
/ LSMO 1 /
中间层界面相
New phase / LSMO 2 / CaIrO
3
多层异质结。其中,
new phase
中的故事是这一工作的主线。
于是,便有人提出所谓“界面相阻挫
interfacial phase frustration (IPF)
”的观点,试图在“磁性阻挫”的背景下引入唯象的界面阻挫物理框架。这样的尝试,无疑是有意义的。来自橡树岭实验室的凝聚态理论名家
Elbio Dagotto
教授
(
很多量子材料理论学者应该很熟悉他
)
和他的弟子
Mohanta
一起,最近在《
npj QM
》上刊登了一篇理论计算文章,提出了这一尝试。这一尝试,当然是基于理论人的发散式想象。他们并不太在意实验物理人实现这些想象所面临的挑战和难度。好在
Dagotto
他们也算是与量子材料实验人长期合作的团队,对实验物理的优势和不足比较了解,所提出的模式原则上可以付诸实验实现。
他们的尝试是:将具有不同对称性、电子结构和磁性的过渡金属氧化物作为基本基元,相互组合,构成不同的异质结、多层膜或超晶格,形成多界面集成的体系。这里,每个界面两侧晶体对称性、磁结构和电子结构的差异性,是这一尝试的核心元素,以构建各种横向
(
垂直于界面
)
有效场。这些有效场,在有效空间尺度区域相互合作与竞争,很像晶体内部各种作用相互竞争一般,形成阻挫的架构。这一图景,大有将每一层内的海森堡相互作用和磁各向异性弃之脑后的气势,故
Ising
美其名为“界面阻挫”。
为了展示此框架有效,
Dagotto
他们选择了
5d
氧化物
SrIrO
3
和
CaIrO
3
为上下层,
La
1−x
Sr
x
MnO
3
(LSMO)
为中间层,如图
3
所示。这样的结构,通过适当控制各层厚度或载流子浓度,特别是控制中间层
LSMO
的厚度,可以在
LSMO
层不同深度处实现不同磁结构。这一思路,等效于将
LSMO
再分层,的确展示了显著的“界面阻挫”物理:
LSMO
层变成了磁结构不同的
LSMO 1
层和
LSMO 2
层,它们之间还可形成一个界面新相层
(new phase)
。
LSMO 1
和
LSMO 2
层厚度
/
载流子浓度不同,其各自的磁结构就不同,界面阻挫会在界面层诱发不同的非常规磁性相。主要结果如图
4
所示:
(1)
如果上下
LSMO
层都是对角排列的自旋螺旋结构,则界面相就是棋盘状分布的
Skyrmion
晶体
(checkerboard skyrmion crystal, CSkX)
。
(2)
如果上下
LSMO
层中一层是自旋螺旋结构,一层是三角
Skyrmion
晶体,则界面相就是非共度的
Skyrmion
条纹相
(incommensurate skyrmion stripe, ISkS)
。
(3)
如果上下
LSMO
层中一层是三角
Skyrmion
晶体相,一层是标准的反铁磁层,则界面相就变成亚铁磁型
Skyrmion
晶体相
(ferrimagnetic skyrmion crystal, FSkX)
。
图
4.
在
SrIrO
3
/ LSMO 1 /
中间层界面相
/ LSMO 2 / CaIrO
3
多层异质结中形成的多种
Skyrmion
晶体相:上部展示了棋盘状
Skyrmion
晶体
CSkX
;中部乃非共度的
Skyrmion
条纹相
ISkS
;下部为亚铁磁型
Skyrmion
晶体相
FSkX
。
注意到,无论是
Ir
氧化物还是
LSMO
,都呈现共线磁结构,不存在基态下的自旋手性。在这三种界面相中,手性特征完全是由多层膜界面阻挫导致。更进一步,其中的
CSkX
相还具有演生的新效应:
(1)
这里的
Skyrmion
完全由界面阻挫诱发,无序外加磁场;
(2)
鉴于标量型手性特征,这一
Skyrmion
相预期会展示很大的拓扑霍尔效应
(topological Hall effect)
。
行文到此,作为一篇计算论文,其预言的结果已经足够刊发成文。但是,
Ising
内心实际上有所狐疑:做量子材料计算的物理人其实都明白,这种基于计算的材料设计,获得实验完美验证的可能性并不是那么高。个中原因,一是这些效应所关联的相互作用能量较小,一是模型哈密顿不大可能将所有的关联物理都考量在内。譬如,
Ir
基氧化物电子结构特征很复杂,导致自旋结构存在诸多偏离理想基态的可能性。再譬如,
Mn
基氧化物电子相分离明显,而这种相分离的空间尺度与
Skyrmion
尺度相仿,因此基于均质模型的计算结果必然存在误差。更重要的问题是:我们对所谓的“界面阻挫”导致的
Skyrmion
相了解尚浅,对其动力学和操控行为了解更少。
如此等等,即便是
Ising
这样的外行,都能提出诸多质疑和问题,“界面阻挫”作为一个概念或者方法应该还在孕育或襁褓阶段。这便是本文标题带有问号的原因:物理可堪用?不过,物理人,不就是在给自然之上的各类科学技术萌芽当专职保姆、以抚育它们茁壮成长么?!阿门!
雷打不动的结尾:
Ising
是外行,如若理解错了,敬请谅解。各位有兴趣,还是请前往御览原文。原文链接信息如下:
Interfacial phase frustration stabilizes unconventional skyrmion crystals
Narayan Mohanta & Elbio Dagotto
npj Quantum Materials volume 7, Article number: 76 (2022)
https://www.nature.com/articles/s41535-022-00483-1
七律·暮色霞书
湖山暮染水分红,荷挂天穹月掠东
几笔云烟霞有尽,三横黑白影无终
谁书夏意苍茫碧,我步尘途落寞葱
越过梁洲蛙语问,前方路险敢凌空
备注:
(1)
编者
Ising
,任职南京大学物理学院,兼职《
npj Quantum Materials
》编辑。
(2)
小文标题“界面磁阻挫:物理可堪用?”不是物理上严谨的说辞,乃表述所谓的“界面阻挫”这一物理图像,从简单直观的漂亮理论计算设计到实验实现,有多大的可行性?题目可能有误导之嫌。
(3)
文底图片乃晚霞之下拍摄的水天界面,就像这里的异质结界面一般
(20220702)
。小诗描写静夜对湖光所现,乃是苍天一色、西岸台城一色、湖水一色,就像这里的异质结界面一般。这里传递自然科学研究进程的一些风景意象
(20220615)
。
(4)
封面图片来自匹兹堡量子研究院网站
(Pittsburgh Quantum Institute, https://www.pqi.org/)
,这里用来展示界面处量子材料世界的物理意象,不可以表达什么。
精选文章
Kitaev
量子自旋液体的至亲
拓扑绝缘体与反铁磁的美妙邂逅
无中生有个价键玻璃态
谁教反常
Hall
大
解开
VO
2
的那个结
ZrTe
5
量子态的霍尔印记
寻觅拓扑超导之一瞥
三千量子态、一瓢向列相
Zintl
化合物会有什么拓扑能带
有机半导体掺杂的万水千山
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