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Skyrmion 微晶体的热致棘轮运动和拓扑磁振子霍尔效应。

Thermally driven ratchet motion of a skyrmion microcrystal and topological magnon Hall effect.

机构信息

1] Department of Physics and Mathematics, Aoyama Gakuin University, Sagamihara, Kanagawa 229-8558, Japan [2] PRESTO, Japan Science and Technology Agency, Kawaguchi, Saitama 332-0012, Japan.

RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS), Wako, Saitama 351-0198, Japan.

出版信息

Nat Mater. 2014 Mar;13(3):241-6. doi: 10.1038/nmat3862. Epub 2014 Jan 26.

DOI:10.1038/nmat3862
PMID:24464244
Abstract

Spontaneously emergent chirality is an issue of fundamental importance across the natural sciences. It has been argued that a unidirectional (chiral) rotation of a mechanical ratchet is forbidden in thermal equilibrium, but becomes possible in systems out of equilibrium. Here we report our finding that a topologically nontrivial spin texture known as a skyrmion--a particle-like object in which spins point in all directions to wrap a sphere--constitutes such a ratchet. By means of Lorentz transmission electron microscopy we show that micrometre-sized crystals of skyrmions in thin films of Cu2OSeO3 and MnSi exhibit a unidirectional rotation motion. Our numerical simulations based on a stochastic Landau-Lifshitz-Gilbert equation suggest that this rotation is driven solely by thermal fluctuations in the presence of a temperature gradient, whereas in thermal equilibrium it is forbidden by the Bohr-van Leeuwen theorem. We show that the rotational flow of magnons driven by the effective magnetic field of skyrmions gives rise to the skyrmion rotation, therefore suggesting that magnons can be used to control the motion of these spin textures.

摘要

自发涌现的手性在整个自然科学中都是一个至关重要的问题。有人认为,机械棘轮的单向(手性)旋转在热平衡时是被禁止的,但在非平衡系统中则成为可能。在这里,我们报告了我们的发现,即一种拓扑上不平凡的自旋织构,称为 skyrmion——一种自旋指向所有方向以包裹球体的粒子状物体——构成了这样的棘轮。通过洛伦兹透射电子显微镜,我们表明,Cu2OSeO3 和 MnSi 薄膜中微米大小的 skyrmion 晶体表现出单向旋转运动。我们基于随机朗道-利夫希茨-吉尔伯特方程的数值模拟表明,在存在温度梯度的情况下,这种旋转仅由热涨落驱动,而在热平衡时,它受到玻尔-范列文定理的禁止。我们表明,由 skyrmion 的有效磁场驱动的磁振子的旋转流引起了 skyrmion 的旋转,因此表明磁振子可以用于控制这些自旋织构的运动。

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