[論文レビュー] Dynamics of vortex-antivortex pairs in ferromagnets

Stavros Komineas, N. Papanicolaou|ArXiv.org|Dec 21, 2007

Magnetic properties of thin films参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、容易面異方性を有する薄膜フェリ磁性体における渦-反渦（VA）対の動的挙動を調査し、位相的に自明でない（N=0）VA対がケルビンに類似した並進運動を示すのに対し、位相的に非自明な（N=±1）対は、ガイド中心の周囲で回転運動を示すことを示している。散逸が存在する場合、回転するN=±1対は収縮して消失し、位相的に禁止された∆N=1の過程を可能にし、外部磁場パルスによる実験的観察された渦核の反転を説明する。

ABSTRACT

We study the dynamics of vortex-antivortex (VA) pairs in an infinitely thin ferromagnetic film with easy-plane anisotropy. These are localized excitations with finite energy that are characterized by a topological (skyrmion) number N = 0,+1,-1. Topologically trivial (N=0) VA pairs undergo Kelvin motion analogous to that encountered in fluid dynamics. In contrast, topologically nontrivial (N = +1,-1) VA pairs perform rotational motion around a fixed guiding center. We present the results of a detailed study in both cases and further demonstrate that in the presence of dissipation a rotating N = +1,-1 VA pair shrinks to a point and is annihilated, due to the discreteness of the lattice, thus leading to a "topologically forbidden" (Delta N = 1) process. We argue that the latter process underlies the experimentally observed vortex core switching whereby the polarity of a single vortex is reversed after collision with an N = 0 VA pair created by a burst of an applied alternating magnetic field.

研究の動機と目的

• 容易面異方性を有するフェリ磁性体薄膜における渦-反渦（VA）対の動的挙動を理解すること、特にその運動および安定性について。
• 位相的に自明（N=0）と非自明（N=±1）なVA対の動的挙動の差異を明確にすること。
• 散逸が回転するN=±1 VA対の消失を可能にし、それによって位相的に禁止された∆N=1の過程が実現されることを調査すること。
• このメカニズムが、弱い交流磁場下で観察された実験的渦核反転とどのように関連しているかを明らかにすること。

提案手法

• 本研究では、容易面異方性を有する薄膜フェリ磁性体における磁化動的挙動をモデル化するため、規格化されたランダウ＝リフシッツ方程式を用いる。
• VA対は位相数Nを用いて分析され、N=0（自明）とN=±1（非自明）な状態に区別される。
• N=0対の場合、運動はケルビン運動に類似しており、運動量とエネルギーが保存され、エネルギーと運動量の間には線形分散関係が成立する。
• N=±1対の場合、系は固定されたガイド中心の周囲で回転運動を示し、角運動量とエネルギーが保存される。
• エネルギー損失を伴う散逸を減衰項を用いてモデル化し、エネルギー損失を伴う消失動的挙動の解析を可能にした。
• 特に回転および分散的特性において類似する点を強調するため、古典的電荷粒子が一様磁場中で受ける力と類似した動的挙動を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 位相的に自明（N=0）な渦-反渦対は、フェリ磁性体薄膜内でどのように運動するか？
• RQ2 位相的に非自明（N=±1）なVA対にどのような動的挙動が現れ、N=0対とどのように異なるか？
• RQ3 回転するN=±1 VA対が散逸的プロセスによって消失可能であり、その位相的意味は何か？
• RQ4 回転するVA対の消失が、弱い外部磁場下で観察された実験的渦核反転をどのように説明できるか？

主な発見

• 位相的に自明（N=0）なVA対はケルビン運動を示し、運動量とエネルギーが保存され、エネルギーと運動量の間には線形分散関係が成立する。
• 位相的に非自明（N=±1）なVA対は、固定されたガイド中心の周囲で回転運動を示し、角運動量とエネルギーが保存され、エネルギーは角運動量に対して対数関数的依存性を示す。
• 散逸が存在する場合、回転するN=±1 VA対は収縮して消失し、位相的に禁止された∆N=1の過程が可能になる。
• エネルギー障壁を越えることなく、離散格子効果のおかげで消失が生じ、N=0 VA対との衝突後に観察された実験的渦核反転を説明する。
• 両方のVA対タイプにおけるエネルギーおよび運動量（または角運動量）の分散関係は、一様磁場中を運動する古典的電荷粒子と非常に類似しており、動的類似性が裏付けられる。
• 安定性解析によると、ケルビン運動は大規模な距離ではわずかに安定であるが、小距離では不安定になる。一方、回転運動はすべての距離でわずかに安定であるが、放射の影響により長期的には不安定になる可能性がある。