[論文レビュー] Double bit in-plane magnetic skyrmions on a track

Kyoung‐Woong Moon, Jungbum Yoon+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2018

Magnetic properties of thin films参考文献 53被引用数 54

ひとこと要約

本稿では、面内磁気異方性（IMA）系において、相反するトポロジカル電荷を持つスピンスカイラクションが同じ背景磁化状態に共存可能な、新しいタイプの磁気スカイラクションを提案する。従来の垂直磁気異方性スカイラクションとは異なり、スピンホール効果および電流駆動運動を介して、1本の磁気ナノワイヤ内で二重ビット情報伝送が可能である。これは、情報密度を高めたスカイラクションベースのレーストラックメモリへの新たな道筋を示している。

ABSTRACT

A magnetic skyrmion isusually refers to a twisted spin texture surrounded by uniformly aligned out-of-plane spinsin the background of a uniformly magnetized state. The invariance of the magnetic skyrmion conserves its topological charge under any continuous transformations of the spin textures, leads to which represents the robustness of a magnetic skyrmion their texture against external perturbations, making it ideal to use skyrmions as . Such a behaviour is required for an ideal information carriers. To date, most magnetic skyrmion studies have been performedfocused on in perpendicularly magnetized systems, where the skyrmion topological number is determined by the relative orientation between the core and /outer perpendicular magnetization directions of the skyrmion is either up/down or down/up. Here we show that there also exists a new type of magnetic skyrmion with surrounding spins to be uniformly aligned to the in-plane direction. By continuous transformation and relaxation of the spin textures of out-of-plane skyrmions, we showed that an in-plane skyrmion, where the background magnetization is in the in-plane direction, is also possible. Different from the conventional perpendicular magnetic skyrmionsContrary to the skyrmions in a perpendicularly magnetized state, the in-plane magnetic skyrmions with opposite signs of topological charges can inherentlycharges can inherently coexist in the in-plane magnetization system coexist. Moreover, the iIn-plane skyrmions of opposite charge can move together by an electric current and exhibit with an opposite spin Hall effect. These findings showdemonstrate the inherent possibility of a double-bit transfer in a single magnetic wire that is not possible in a perpendicularly magnetized system.

研究の動機と目的

• 面内磁気異方性（IMA）系における磁気スカイラクションの存在と安定性を調査し、従来の垂直磁気異方性（PMA）スカイラクションと対比する。
• 相反するトポロジカル電荷を有するスカイラクションが、同じ磁化背景に共存可能かどうかを検討する。これはPMA系では実現不可能な特徴である。
• 同一の磁気ナノワイヤ内で共存する面内スカイラクションを用いた二重ビット情報伝送の実現可能性を示す。
• スピン軌道効果（SOT）およびスピン軌道トルク（SOT）の下での面内スカイラクションの動的挙動を解析し、特徴的な輸送特性を同定する。

提案手法

• 界面ディーザロシュチェンスキー＝モリスキー相互作用（iDMI）を含むIMA系におけるスカイラクション構造をモデル化・緩和するために、mumaxコードを用いたマイクロ磁気シミュレーションを実施した。
• スピン軌道トルク（SOT）およびスピン軌道トルク（SOT）の下でのスカイラクション動的挙動を記述するため、Thieleの運動方程式を用い、非断熱性および減衰効果を組み込んだ。
• スカイラクションの安定性を確認し、状態を分類するために、トポロジカル電荷 Q を積分式 Q = (1/4π)∫𝐦∙(𝜕𝑥𝐦 × 𝜕𝑦𝐦)𝑑𝑥𝑑𝑦 で定義した。
• iDMIエネルギー密度（Dind）および飽和磁化（MS）を変化させることで位相図を構築し、IMAスカイラクションの安定性に寄与する条件を同定した。
• 周期的境界条件を適用し、SMT（速度 u = 5–10 m/s）およびSOT（τd = 4–8 mT）の下でスカイラクションの輸送挙動をシミュレートした。
• IMAスカイラクションの構造が、相反するコア極性を有するヴォーテックス・アンチヴォーテックスペアであることを確認し、ネットトポロジカル電荷が ±1 であることを裏付けた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 均一な面内磁化状態を持つ単一の面内磁気異方性（IMA）系において、相反するトポロジカル電荷（+1 および −1）を有する磁気スカイラクションが共存可能か？
• RQ2 IMA系における面内スカイラクションの形成および安定化機構は何か？ これは従来のPMAスカイラクションとはどのように異なるか？
• RQ3 スピン軌道トルク（SMT）およびスピンホール効果の下での面内スカイラクションの動的挙動はどのように異なり、二重ビット情報伝送に利用可能か？
• RQ4 スカイラクションの安定性を決定づける重要な材料パラメータ（例：Dind, MS）は何か？ また、ストライプドメイン状態と比較してどのように異なるか？
• RQ5 非一様なDijテンソルおよび非対称なスピンテクスチャーを有する面内スカイラクションの運動を記述するために、Thiele方程式形式をどのように拡張可能か？

主な発見

• 相反するトポロジカル電荷（+1 および −1）を有する面内磁気スカイラクションが、同じ均一な面内磁化背景に共存可能であり、これは従来のPMA系では実現不可能な特徴である。
• IMAスカイラクションの構造は、相反するコア極性を有するヴォーテックス・アンチヴォーテックスペアであり、トポロジカル電荷の積分により、ネットトポロジカル電荷が ±1 に確定した。
• マイクロ磁気シミュレーションにより、|HDMI| > MS である場合にIMAスカイラクションが安定化することが示された。これは Dind < 1.11|Dind|/√(μ₀A) （「ストライプ条件」）を満たす場合に成立し、安定スカイラクションはこの閾値のわずか下で存在することが分かった。
• スピン軌道トルク（SMT）の下では、相反する電荷のスカイラクションは同じ方向に移動するが、スピンホール効果が逆向きとなるため、二重ビット符号化が可能である。
• Thieleの式によれば、スカイラクションの速度は非断熱性（β）および減衰（α）に依存し、SMT駆動では Vx = (β/α)ux、SOT駆動では Vx = 1/(αDxx)wx と表される。
• 閉じたナノワイヤ構造において、両スカイラクションがSMTにより一括して駆動可能であり、1本の磁気トラック内での二重ビット伝送の実現可能性が示された。