Transições de fase em filmes helimagnéticos

Abstract

Sistemas com a interação de Dzyaloshinskii-Moriya e troca ferromagnética são conhecidos como helimagnetos, pois diferentemente dos ferromagnetos, seu estado fundamental é dado por uma modulação similar a uma hélice, chamado de fase helicoidal. Além desta configuração, uma rede de estruturas moduladas tipo vórtices emergem espontaneamente em materiais com as referidas interações, a qual recebeu o nome de rede de skyrmions. Estas estruturas possuem características quirais, devido à quiralidade bem definida da interação de Dzyaloshinskii-Moriya, mas também propriedades topológicas, sendo definidas como um defeito topológico. Estas propriedades tornam os skyrmions potenciais candidatos a tecnologia na área de spintrônica, utilizando-os como uma excitação de spins que se propaga e consequentemente carrega e armazena informação. Embora tenham sido observados em materiais tridimensionais, os skyrmions despertaram especial interesse em filmes finos, materiais com algumas camadas atômicas de espessura, que os conferem propriedades próximas a materiais bidimensionais. Isso se deve à grande região de estabilidade desta configuração frente ao espaço de parâmetros do sistema em comparação à materiais tridimensionais, impulsionando assim o estudo mais aprofundado desta classe de sistemas. Apesar dos recentes avanços no estudo de helimagnetos quirais, algumas lacunas carecem de maiores explicações. Em especial, a presença de fase hexática de skyrmions, um estado intermediário entre a configuração cristalina e um líquido isotrópico que ocorre em materiais bidimensionais, foi observada em experimentos com diversos materiais. Porém, poucos trabalhos teóricos foram capazes de identificá-la. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo fornecer uma descrição através da aproximação de campo médio variacional das transições de fase envolvidas em helimagnetos quirais com anisotropia uniaxial, dando especial atenção à presença de transições contínuas entre a rede de skyrmions e o estado homogêneo, uma vez que, pela teoria KTHNY, a fase hexática está entre duas transições desta classe. Visando contribuir igualmente para a discussão da presença de fase hexática, foram realizadas simulações de Monte Carlo de um helimagneto com a interação de Dzyaloshinskii-Moriya, comparando diferentes métodos de simulação, e propondo a influência da geometria da rede como principal mecanismo para a presença da referida fase.

Abstract: Systems featuring Dzyaloshinskii-Moriya interaction and ferromagnetic exchange are known as helimagnets because, unlike ferromagnets, their ground state is characterized by a helix-like modulation called the helical phase. In addition to this configuration, a lattice of vortex-like modulated structures emerges spontaneously in materials with these interactions, known as skyrmion lattice. These structures possess chiral characteristics due to the well-defined chirality of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction, as well as topological properties, being defined as topological defects. These properties make skyrmions potential candidates for spintronics technology, utilizing them as spin excitations that can propagate and consequently carry and store information. Although they have been observed in three- dimensional materials, skyrmions have garnered special interest in thin films, materials that are only a few atomic layers thick, which grant them properties close to two-dimensional systems. This is due to the broad stability region of this configuration within the system?s parameter space compared to three-dimensional materials, thus driving more in-depth study of this class of systems. Despite recent advances in the study of chiral helimagnets, some gaps require further explanation. In particular, the presence of a skyrmion hexatic phase, an intermediate state between a crystalline configuration and an isotropic liquid that occurs in two-dimensional materials, has been observed in experiments with various materials. However, few theoretical works have been able to identify it. In this context, the present work aims to provide a description, via the variational mean-field approximation, of the phase transitions involved in chiral helimagnets with uniaxial anisotropy. Special attention is given to the presence of continuous transitions between the skyrmion lattice and the homogeneous state, since, according to KTHNY theory, the hexatic phase lies between two transitions of this class. Aiming to contribute equally to the discussion of the hexatic phase, Monte Carlo simulations of a helimagnet with Dzyaloshinskii-Moriya interaction were performed, comparing different simulation methods and proposing the influence of lattice geometry as the main mechanism for the presence of the aforementioned phase.