[論文レビュー] Facilitating electrical and laser-induced skyrmion nucleation with a dipolar-field enhanced effective DMI

Mark C. H. de Jong, D. I. Khusyainov+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2026

Magnetic properties of thin films被引用数 0

ひとこと要約

論文はIr/Co/Pt多層膜においてディポーラル場とDMI場を層ごとに整列させることにより有効DMIを強化し、現在駆動およびレーザー誘起の両方の手法でスキュリミオン核生成密度を著しく高めつつ、閾値をほとんど変更しないことを示す。

ABSTRACT

We demonstrate experimentally how the nucleation of skyrmions in an Ir, Co, and Pt based magnetic multilayer is affected by introducing a layer dependent sign for the Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI). In one stack, the bottom half of the stack is given a positive DMI and the top half a negative DMI, and as a result, the in-plane component of the dipolar field is aligned parallel to the effective field of the DMI in every layer, enhancing the effective DMI. We show that this enhanced DMI facilitates the nucleation and stability of skyrmions using both current-driven and laser-induced skyrmion nucleation. In the devices with an enhanced effective DMI, the density of nucleated skyrmions is greater by up to a factor 20 and skyrmions can be observed in stronger magnetic fields - suggesting that their stability is also improved. These results show that skyrmion nucleation depends strongly on the magnitude of the effective DMI in a magnetic multilayer and that the dipolar field within such a multilayer presents an effective route towards controlling the effective DMI, and thereby, the nucleation of chiral magnetic textures.

研究の動機と目的

• 磁性多層膜におけるDMIを介したスキュリミオンのカイリティと安定性の制御を動機付ける。
• 層依存DMI符号を持つ多層膜におけるディポーラ場が有効DMIをどう修飾するかを調べる。
• 強化された有効DMIと減少させた有効DMIの下で、現在駆動およびレーザー誘起のスキュリミオン核生成を比較する。
• ディポーラ場エンジニアリングにより他のパラメータを一定に保ったまま、スキュリミオン密度と安定性の変化を定量化する。

提案手法

• 異なるDMI構成を持つ4つの多層スタックを作製する：Uniform+、Uniform−、Enhanced、Reduced。
• 各スタックで飽和磁化と一軸異方性を測定し、M_sとK_uが類似となることを確認する。
• Lemeshらのモデルを用いて平衡ドメイン幅を分析し、有効DMIを決定する。
• ナノ秒パルスを用いた現在駆動スキュリミオン核生成を実施し、MFMで密度をマッピングする。
• 70 fsパルスによるレーザー誘起スキュリミオン核生成を実施し、MFMで密度をマッピングする。
• MuMax3でディポーラ-DMIの相互作用をシミュレートし、解析モデルと比較する。

Figure 1: Sketches of the different multilayer structures. (a) Uniform $+$ stack. All the layers in this stack have a positive DMI sign. (b) Uniform $-$ stack. Same as (a), but with the opposite DMI sign. (c) Enhanced stack. Here the magnetic layers in the top half of the stack have a negative DMI a

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 層間でディポーラ場をDMI有効場と整列させることは、多層膜全体の有効DMIにどのように影響するか。
• RQ2 有効DMIが強化されると、現在駆動およびレーザー誘起の核生成密度は閾値を大きく変えずに高くなるか。
• RQ3 強化されたスタックと減少スタックは、さまざまなバイアス場と励起フルエンス下でスキュリミオンの安定性と密度をどう比較できるか。

主な発見

• 強化スタックは、有効DMIが減少スタックの約2.5倍で、スタック全体でM_sとK_uは類似。
• 現在駆動核生成後のスキュリミオン密度は、強化スタックが減少スタックの約20倍高い（10.6(1) /μm^2対0.52(1) /μm^2）。
• 核生成閾値電流密度は、強化と減少スタックでほぼ同等（約7.09(1)×10^11 A/m^2対6.90(2)×10^11 A/m^2）。
• レーザー誘起核生成は、フルエンス全域で強化スタックの方がスキュリミオン密度が高く、飽和密度が高く、減少スタックに対して飽和密度が4倍上回る。
• レーザー核生成の閾値フルエンスは、強化スタックFc = 9.0(2) mJ/cm^2、減少スタックは10.7(2) mJ/cm^2。
• 強化と減少スタック間の実測ΔDMIは約0.6 mJ/m^2（強化）および0.47(6) mJ/m^2（測定差）、ディポーラ起源の予測と整合。

Figure 3: Effect of the enhanced and reduced effective DMI on the current- and laser-induced nucleation of skyrmions. In (a) - (l) we show MFM scans of the magnetization in the devices fabricated from the enhanced and reduced multilayer stack after applying a single nucleation pulse. (a) - (c): Enha