[論文レビュー] Statics and Dynamics of Skyrmions Interacting with Pinning: A Review

C. J. O. Reichhardt, C. J. O. Reichhardt+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 334被引用数 13

ひとこと要約

本レビューは、不規則および構造的環境下におけるスカイミオンの動的挙動とピン留めに関する現在の理解を統合し、古典的系とは異なる特徴的なピン留め、脱着、輸送現象を可能にするマグニチュード力の役割に焦点を当てる。設計されたピン留めポテンシャルが、ダイオードやラチェットを含むスカイミオン運動の制御を可能にし、低消費電力スピントロニクス素子への応用が示唆される。

ABSTRACT

Magnetic skyrmions are topologically stable nanoscale particle-like objects that were discovered in 2009. Since that time, intense research interest has led to the identification of numerous compounds that support skyrmions over a range of conditions spanning cryogenic to room temperatures. Skyrmions can be set into motion under various types of driving, and the combination of their size, stability, and dynamics makes them ideal candidates for numerous applications. Skyrmions represent a new class of system in which the energy scales of the skyrmion-skyrmion interactions, sample disorder, temperature, and drive can compete. A growing body of work indicates that the static and dynamic states of skyrmions can be influenced strongly by pinning or disorder in the sample; thus, an understanding of such effects is essential for the eventual use of skyrmions in applications. In this article we review the current state of knowledge regarding individual skyrmions and skyrmion assemblies interacting with quenched disorder or pinning. We outline the microscopic mechanisms for skyrmion pinning, including the repulsive and attractive interactions that can arise from impurities, grain boundaries, or nanostructures. This is followed by descriptions of depinning phenomena, sliding states over disorder, the effect of pinning on the skyrmion Hall angle, the competition between thermal and pinning effects, the control of skyrmion motion using ordered potential landscapes such as one- or two-dimensional periodic asymmetric substrates, the creation of skyrmion diodes, and skyrmion ratchet effects. We highlight the distinctions arising from internal modes and the strong gyroscopic or Magnus forces that cause the dynamical states of skyrmions to differ from those of other systems with pinning. We also discuss future directions and open questions related to the pinning and dynamics in skyrmion systems.

研究の動機と目的

• クエンチド不規則性および設計されたピン留めポテンシャルとのスカイミオン相互作用に関する知識を体系化すること。
• マグニチュード力がスカイミオンの動的挙動をどのように規定するか、特にストロベリーやコロイドとは異なる特徴的役割を特定すること。
• 周期的および非対称ピン留めポテンシャルが、デバイス応用を想定したスカイミオン運動の制御を可能にする仕組みを調査すること。
• 駆動力および不規則性下におけるスカイミオンの脱着、熱的効果、集団的挙動に関する未解決の問題を明らかにすること。
• 将来の研究方向性を提起し、特にスカイミオンを用いたマジョラナフェルミオンの操作や量子情報処理への応用を含むこと。

提案手法

• 外部駆動力およびピン留め下でのスカイミオン動的挙動を記述するための微磁気シミュレーションおよび粒子モデル（例：シエール方程式）のレビュー。
• 不純物、結晶粒界、ナノ構造によるピン留め機構の分析。引力的および斥力的相互作用の区別。
• 連続体シミュレーションを用いた動的相図のマッピング。弾性および塑性の脱着遷移を含む。
• 数値的および解析的モデルを用いて、ピン留めおよび熱的効果によるスカイミオンホール角の変調を調査。
• 1次元および2次元の周期的基板の調査。非対称アレイを用いた整流運動（ラチェット効果）およびダイオード的挙動の実現。
• 光学トランプや磁気プローブなどの局所的プローブ技術を応用し、単一スカイミオンの操作を実現。センシングおよび量子制御への応用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スカイミオンはクエンチド不規則性に対してどのように応答するか。その結果として生じる静的および動的相は何か。
• RQ2 マグニチュード力は、オーバードンプド系と比較して、スカイミオンの脱着およびスライド挙動にどのように影響を及けるか。
• RQ3 周期的または非対称ピン留めポテンシャルを設計することで、一方向性のスカイミオン輸送（ラチェット効果）やダイオード的挙動を実現できるか。
• RQ4 熱的フラクチュエーションは、ピン留めおよび駆動力とどのように競合し、スカイミオンの移動度およびホール角にどのように影響を与えるか。
• RQ5 単一スカイミオンの操作を用いて、マジョラナフェルミオンのようなトポロジカル状態をプローブまたは設計する可能性は何か。

主な発見

• スカイミオンは、材料の厚さおよび欠陥の種別に依存する強いピン留め効果を示し、不純物および結晶粒界からの引力的および斥力的相互作用が可能である。
• マグニチュード力はジャイロスコピック運動を引き起こし、スカイミオンホール角がピン留めポテンシャルの構造および熱的フラクチュエーションに敏感であることを示す。
• 1次元周期的基板では、周期的ポテンシャルとの共鳴結合により、スカイミオンの速度増加効果が観測される。
• 非対称2次元ピン留めアレイは、交流または直流駆動下で整流されたスカイミオン輸送を可能にし、ダイオード的挙動およびラチェット効果を示す。
• 微磁気シミュレーションにより、スカイミオンの脱着遷移が弾性的または塑性的であることが確認され、不規則系ではアバランチ的ダイナミクスが観測される。
• 光学トランプや磁気プローブを用いた単一スカイミオンの操作は実現可能であり、マジョラナ束縛状態のバーニングを含むトポロジカル量子操作の実現が可能となる。