В мае и июне 2018 года научный сотрудник ОИКС (НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ) Евгений Алтынбаев, провел эксперимент, являющийся продолжением серии опытов по исследованию магнитной структуры соединений моногерманидов переходных металлов с нецентросимметричной структурой типа В20 с помощью малоуглового рассеяния нейтронов. Эксперименты были проведены в нейтронном центре имени Хайнца Майера-Лейбница, Гархинг, Германия, на установке SANS-1.

Эксперименты были нацелены на обнаружение скирмионной решетки – фазы, формирующейся с приложением магнитного поля в нецентросимметричных кубических маагнетиках с взаимодействием Дзялошинского-Мория (ДМ). Исследовали превращения магнитной структуры соединений Mn_1‑xFe_xGe с x = 0.1, 0.2 и 0.3, синтезированных под высоким давлением [1], под действием внешнего магнитного поля и температуры. Хорошо известно, что магнитная система этих соединений упорядочивается в спиновую спираль при низких температурах с волновым вектором k = 0.2 нм^‑1 [2]. Установлено, что магнитная структура чистого соединения MnGe, представляющая собой спиновую спираль, устойчива при низких температурах и не формирует скирмионной решетки, характерной для всех других известных геликоидальных магнетиков, основанных на взаимодействии Дзялошинского-Мория.

Проведенные эксперименты показали, что с ростом концентрации Fe возникают флуктуации спиральной фазы даже при T = 0, и что они доминируют над устойчивой магнитной структурой при x > 0.25. Более того было обнаружено формирование скирмионной решетки для соединений с x = 0.3, так и для x = 0.2.

Таким образом, можно предположить, что конкуренция двух различных взаимодействий (ДМ и РККИ) приводит к магнитному квантовому фазовому переходу с ростом x в соединениях Mn_1-xFe_xGe. Предполпгпется, что РККИ взаимодействие является основополагающим для магнитной структуры чистого соединения MnGe и именно оно определяет короткий период спирали. Очевидно, что ДМ взаимодействие, обусловленное нецентросимметричным расположением магнитных атомов, при этом эффективно подавлено. Тем не менее, влияние взаимодействия Дзялошинского-Мории растет с замещением Mn атомами Fe в Mn_1‑xF_exGe. Оно приводит к полной дестабилизации магнитной структуры и квантовой критической точке при x_c1 = 0.25. Более того именно оно обуславливает появлению скирмионной решетки в соединениях с x > 0.1.

На верхнем рисунке представлена карты малоуглового рассеяния нейтронов для соединения Mn_0.7Fe_0.3Ge при различных значениях внешнего магнитного поля H = 0, 0.6 и 2.0 Т, полученная при температуре 120 K. Видно, что в промежуточных полях порядка 0,6 Т появляется рассеяние от скирмионной решетки при переданном импульсе Q, направленном перпендикулярно магнитному полю. На нижнем рисунке представлена фазовая диаграмма магнитное поле-температура, где область скирмионной решетки ограничена фиолетовыми линиями. Заштрихованная область при низких температурах соответствует области существования «замороженной» скирмионной решетки.

[1] A. V. Tsvyashchenko, J. Less-Common Met. 99, L9 (1984).

[2] S. V. Grigoriev, N.M. Potapova, S.-A. Siegfried, V. A. Dyadkin, E. V. Moskvin, V. Dmitriev, D. Menzel, C. D. Dewhurst, D. Chernyshov, L. N. Fomicheva, and A. V. Tsvyashchenko, Physical Review Letters vol. 110 pp. 207201 (2013)