Взаимодействие Дзялошинского-Мория и формирование скирмионной решетки в соединениях Mn1-xFexGe

Магнитная система всего ряда соединений Mn_1‑xFe_xGe, синтезированных при высоком давлении, в нулевом поле при низких температурах упорядочивается в спиновую спираль. Анализ эволюции магнитной структуры соединений на основе FeGe во внешнем магнитном поле позволил обнаружить образование скирмионной решетки (СкР) или А-фазу. Существование А-фазы свойственно всем известным геликоидальным магнетикам, основанным на взаимодействии Дзялошинского-Мория, поскольку, согласно текущим теоретическим и экспериментальным исследованиям, обязательными условиями ее возникновения в объемных материалах являются одноосная анизотропия и флуктуации магнитного порядка. Существование СкР в соединении MnGe при этом до сих пор однозначно не установлено и является предметом интенсивных дискуссий.

В данной работе исследовалась фазовая диаграмма магнитное поле – температура для соединений Mn_1‑xFe_xGe с x = 0.0, 0.1, 0.2 и 0.3. В результате удалось установить, что для чистого соединения MnGe в диапазоне температур 5 K < T < 200 K и полей 0 T < H < 10 T СкР не формируется. При этом уже в соединении Mn_0.9Fe_0.1Ge А-фаза была обнаружена в широком диапазоне температур 20 K < T < 120 K. Также установлено, что полевой диапазон области существования СкР растет с концентрацией x и оказывается наибольшим для x = 0.3, для которого А-фаза сосуществует с конической фазой при температурах 40 K < T < 140 K, то есть, ограничена критическими полями H_C1 и H_C2, H_C1 < H < H_C2. Период СкР, при этом, отличается от периода геликоидальной структуры не менее чем на 10% для каждого из исследованных соединений. Это может быть связано с конкуренцией обменных взаимодействий, формирующих геликоидальную магнитную структуру соединений на основе MnGe, что в частности приводит к неустойчивости магнитной структуры при низких температурах.

Мы связываем возникновение и увеличение области существования СкР в этих соединениях с линейным ростом величины взаимодействия Дзялошинского-Мория в соединениях Mn_1‑xFe_xGe с ростом x. Из теории также следует, что величина константы Дзялошинского-Мория равна нулю в случае чистого соединения MnGe, что подтверждается отсутствием области существования СкР для этого соединения. Мы полагаем, что ширина температурной области существования СкР на фазовой диаграмме определяется наличием геликоидальных флуктуаций магнитной структуры, которые были обнаружены для этих соединений при температурах много ниже температуры магнитного упорядочения.