[論文レビュー] Finite size effects and stability of skyrmionic textures in nanostructures

Marijan Beg, Dmitri Chernyshenko+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2013

Magnetic properties of thin films被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、磁化異方性を含まない零場下におけるヘリマグネティック薄膜において、スカイミオン的構造が基底状態であることを、磁気的デマグネタイゼーション効果を含む3次元ミクロ磁気モデルを用いて示した。Dzyaloshinskii-Moriya相互作用に起因する形状異方性が、Bloch点ダイナミクスを介したヒステリックなコア反転を可能にし、安定なスカイミオンベースデバイスに不可欠である。

ABSTRACT

Magnetic skyrmions have the potential to provide solutions for low-power, high-density data storage and processing. One of the major challenges in developing skyrmion-based devices is the skyrmions' magnetic stability in confined helimagnetic nanostructures. Through a systematic study of equilibrium states, using a full three-dimensional micromagnetic model including demagnetisation effects, we demonstrate that skyrmionic textures are the lowest energy states in helimagnetic thin film nanostructures at zero external magnetic field and in absence of magnetocrystalline anisotropy. We also report the regions of metastability for non-ground state equilibrium configurations. We show that bistable skyrmionic textures undergo hysteretic behaviour between two energetically equivalent skyrmionic states with different core orientation, even in absence of both magnetocrystalline and demagnetisation-based shape anisotropies, suggesting the existence of Dzyaloshinskii-Moriya-based shape anisotropy. Finally, we show that the skyrmionic texture core reversal dynamics is facilitated by the Bloch point occurrence and propagation.

研究の動機と目的

• 閉じたヘリマグネティックナノ構造におけるスカイミオン的構造の安定性および平衡状態を調査すること。
• 外部磁場および磁気的結晶場異方性が存在しない条件下で、スカイミオンが最低エネルギー状態となる条件を特定すること。
• 非基底状態のスカイミオン的構成のための準安定領域を同定すること。
• 対称的な形状を有する系において、形状異方性や磁気的結晶場異方性が存在しないにもかかわらず、スカイミオンコアの向きにヒステリシスを示す理由を解明すること。
• Bloch点ダイナミクスがスカイミオンコア反転をどのように可能にするかを分析すること。

提案手法

• ヘリマグネティック薄膜における平衡状態をシミュレートするために、完全な三次元ミクロ磁気モデルを用いる。
• 現実的な磁気的相互作用を捉えるために、デマグネタイゼーション場を明示的に含める。
• 系統的なエネルギー最小化を実施し、基底状態および準安定状態を同定する。
• スピンテクスチャの時間発展を追跡することで、コアの向きの反転ダイナミクスを分析する。
• キラル結合の主な要因としてDzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）を用いる。
• コアの向きが逆転する際に、エネルギー的にデゲネレートしたスカイミオン状態間のヒステリシス行動を定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気的結晶場異方性が存在せず外部磁場がゼロの状態において、スカイミオン的構造が基底状態となる条件は何か？
• RQ2 対称的ナノ構造において、準安定スカイミオン的構成が生じるメカニズムは何か？
• RQ3 形状異方性や磁気的結晶場異方性が存在しないにもかかわらず、二価のスカイミオン的構造がヒステリックな挙動を示すのはなぜか？
• RQ4 Dzyaloshinskii-Moriya相互作用は、対称系においてどのように有効な形状異方性を誘導するか？
• RQ5 Bloch点は、スカイミオンコア反転ダイナミクスを実現するために果たす役割は何か？

主な発見

• ヘリマグネティック薄膜ナノ構造において、外部磁場がゼロで磁気的結晶場異方性が存在しない状態で、スカイミオン的構造が最低エネルギー状態である。
• パラメータ空間の異なる領域に準安定状態が存在し、スカイミオン状態間の有限なエネルギー障壁が示唆される。
• 形状異方性や磁気的結晶場異方性が存在しないにもかかわらず、コアの向きが逆転する2つのエネルギー的に等価なスカイミオン状態間でヒステリックな挙動が観測された。
• このヒステリックな挙動は、Dzyaloshinskii-Moriyaに起因する形状異方性に起因し、異なるコアの向きを安定化させる。
• スカイミオンコア反転は、動的反転過程中にBloch点が形成され、その伝播によって促進される。
• Bloch点の存在により、トポロジカルに非自明なスピン再配置が可能となり、ナノスケールデバイスにおける頑健なコアスイッチングを実現する。