[論文レビュー] Hedgehog Skyrmion Bubbles in Ultrathin Films with Interfacial Dzyaloshinskii-Moriya Interactions

Javier F. Pulecio, Aleš Hrabec+4 more|White Rose Research Online (University of Leeds, The University of Sheffield, University of York)|Nov 21, 2016

Magnetic properties of thin films参考文献 33被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）を有する超薄膜[Pt/Co(0.8 nm)/Ir]において、Lorentz透過電子顕微鏡および3次元マルチレイヤー型シミュレーションを用いて、ハリケーン型スカイム粒子バブルの挙動を調査した。構造的不規則性がクリープ的領域境界移動を引き起こし、予想を上回るサイズのスカイム粒子バブルを安定化させることを明らかにした。また、スカイム粒子が円対称性を失う臨界サイズを特定し、室温における特異なトポロジカルな挙動を示した。

ABSTRACT

Collective spin ensembles known as skyrmion bubbles can exist in ultrathin magnetic film heterostructures and promise miniscule diameters and low-power all-electrical manipulation. The nucleation, identification and manipulation of skyrmions is of great interest, in part, because of their non-trivial topology. Here we ascertain the topology of 100 nm isolated hedgehog skyrmion bubbles and probe their response to external fields at room temperature in [ Pt \ Co (0.8 nm) \ Ir ] films. We find that structural disorder can stabilize skyrmion bubble states which exhibit creep-like domain wall motion. This makes the extraction of DMI from observations difficult and could explain the larger than predicted bubble sizes observed in interfacial DMI films. Intriguingly, we report on a critical size for hedgehog skyrmions, above which the bubbles lose circular symmetry and take up an irregular shape. Combining Lorentz TEM and fully three dimensional multi-layered simulations, we demonstrate the unique behavior of these topologically non-trivial spin textures.

研究の動機と目的

• 界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）を有する超薄膜におけるスカイム粒子バブルの安定化機構を理解すること。
• 室温下における外部磁場下での孤立したハリケーン型スカイム粒子バブルのトポロジーおよび動的応答を解明すること。
• 界面DMI系における理論的予測と実験的観測の間のスカイム粒子バブルサイズの乖離を解明すること。
• 超薄膜ヘテロ構造におけるスカイム粒子形状および安定性に影響を与える構造的およびトポロジカル要因を同定すること。

提案手法

• 室温下での[Pt/Co(0.8 nm)/Ir]膜内における孤立スカイム粒子バブルのスピン構造を直接像として得るため、Lorentz透過電子顕微鏡（Lorentz TEM）を用いた。
• スカイム粒子バブルのスピン配置およびダイナミクスをモデル化するため、完全3次元マルチレイヤー型マイクロ磁気シミュレーションを実施した。
• 外部磁場下における領域境界移動を分析し、クリープ的挙動およびDMI抽出への影響を評価した。
• 実験的観察とシミュレーションを照合することで、構造的不規則性がスカイム粒子状態の安定化に果たす役割を特定した。
• トポロジカル解析を用いてハリケーン型スカイム粒子の特徴を確認し、非自明な巻き数を定量した。
• スカイム粒子バブルが円対称性を失う臨界サイズ閾値を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 界面DMIを有する超薄膜におけるスカイム粒子バブル状態の安定化に、構造的不規則性が果たす役割は何か？
• RQ2 なぜ界面DMI系において実験的に観測されたスカイム粒子バブルサイズは、理論的予測を上回るのか？
• RQ3 ハリケーン型スカイム粒子バブルが円対称性を失う臨界サイズは何か？
• RQ4 クリープ的領域境界移動は、実験データからのDMIパラメータ抽出の信頼性にどのように影響するか？
• RQ5 室温下における孤立したハリケーン型スカイム粒子バブルのトポロジカル性および安定性は何か？

主な発見

• 超薄膜[Pt/Co(0.8 nm)/Ir]における構造的不規則性がスカイム粒子バブル状態を安定化させ、クリープ的領域境界移動を引き起こし、DMIパラメータ抽出を複雑にする。
• スカイム粒子バブルは理論的予測を上回る直径を示すが、著者らはこれを構造的不規則性による安定化効果に起因すると解釈している。
• ハリケーン型スカイム粒子バブルが円対称性を失い、不規則な形状をとるようになる臨界サイズ閾値が特定された。
• Lorentz TEM像像により、室温下で孤立し、トポロジカル的に非自明なハリケーン型スカイム粒子バブルが存在することが確認された。
• 3次元マルチレイヤー型シミュレーションは実験的観察を裏付け、DMI、不規則性、およびスカイム粒子形態の複雑な相互作用を明らかにした。
• 本研究では、トポロジカル保護と対称性の破れが共存しており、これがスカイム粒子バブルの動的および構造的性質に影響を与えていることを示した。