[論文レビュー] Trochoidal motion and pair generation in skyrmion and antiskyrmion dynamics under spin-orbit torques

Ulrike Ritzmann, Stephan von Malottki+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2018

Magnetic properties of thin films参考文献 49被引用数 87

ひとこと要約

この論文は、スピン軌道トルクが超薄磁性体におけるトロコイド運動とスキルミオン–アンスキュルミオン対生成を誘発できることを示しており、動力学はDMI対称性と核変形に依存する。原子スピン動力学、縮約モデル、および機械学習を組み合わせてダイナミクス相をマッピングし、異方性DMIの影響を探る。

ABSTRACT

Skyrmions and antiskyrmions in magnetic ultrathin films are characterised by a topological charge describing how the spins wind around their core. This topology governs their response to forces in the rigid core limit. However, when internal core excitations are relevant, the dynamics become far richer. We show that current-induced spin-orbit torques can lead to phenomena such as trochoidal motion and skyrmion-antiskyrmion pair generation that only occurs for either the skyrmion or antiskyrmion, depending on the symmetry of the underlying Dzyaloshinskii-Moriya interaction. Such dynamics are induced by core deformations, leading to a time-dependent helicity that governs the motion of the skyrmion and antiskyrmion core. We compute the dynamical phase diagram through a combination of atomistic spin simulations, reduced-variable modelling, and machine learning algorithms. It predicts how spin-orbit torques can control the type of motion and the possibility to generate skyrmion lattices by antiskyrmion seeding.

研究の動機と目的

• Spin-orbit torquesのもとで剛体コアモデルを超えたスキルミオンと反スキルミオンのダイナミクスを理解する動機づけ。
• Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）の対称性が反対のトポロロジカル荷の運動にどう影響するかを調べる。
• コアの変形ダイナミクスを説明し、運動を支配するヘリシティ変数を導入する。
• 運動の種類と対生成を予測するダイナミクス相 diagramを開発する。
• 反スキュルミオンのダイナミクスを介してスキュルミオン格子を種として得る可能性を示す。

提案手法

• 六角格子を持つ PdFe/Ir(111)様 bilayer の原子スピン動力学シミュレーション。
• ψ(t) のヘリシティ自由度と変形駆動エネルギー U(ψ) を組み込んだ拡張 Thiele型モデリング。
• 式: d m/dt = … 有効磁場とSOTs を含む（Eq. 3）；核位置 X(t) は Thiele様方程式（Eq. 2）で表現；ヘリシティダイナミクス（Eq. 4）。
• DMI U_DM および格子項 U(ψ) ≈ u1 cos(ψ−ψ0) + u3 cos(3ψ) を含むエネルギー汎関数。
• 軌道タイプ（線形、偏向、トロコイド）をマッピングし相図を構築する機械学習分類。
• β_FL、β_DL ）とDMI対称性のパラメータ探索。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン軌道トルクは剛体コアダイナミクスを超えたスキルミオンと反スキルミオンの軌跡をどのように修飾するか。
• RQ2 DMIの対称性はSOT下での（反）スキルミオンの運動タイプと安定性にどのような役割を果たすか。
• RQ3 コアの変形とヘリシティダイナミクスはトロコイド運動や対生成につながるか。
• RQ4 線形、偏向、トロコイドの各 regimes と対生成を区別するための相図はどう構築できるか。
• RQ5 antiskyrmion-driven dynamics やコア不安定性を介してスキュルミオン格子を種として得ることは可能か。

主な発見

• SOT下で反スキュルミオンは三つの伝播 regimes： rectilinear（直線）、deflected（偏向）、trochoidal（トロコイド）を示し、遷移はSOT強度によって規定される。
• コア変形はSOT駆動力と軌跡を変調する動的ヘリシティ ψ(t) を導入する。
• 内部エネルギー U(ψ) は U(ψ)=u1 cos(ψ−ψ0)+u3 cos(3ψ) の形にフィットでき、線形から偏向へ、さらにトロコイド運動への遷移を記述し、SOTが戻り力を上回るとトロコイド運動が生じる。
• スキルミオンと反スキルミオンはDMI対称性に対して異なる反応を示す；異方性DMIの場合、反スキルミオンがエネルギー的に有利となり独自の運動パターンを示す。
• 大きなSOTの下で、反スキルミオンはスキルミオン–反スキュルミオン対を核生成し、崩壊とsurvivingな反スキルミオンからの対生成が続く気体を作る。
• DMIがない場合、両方のテクスチャは円軌道を描き、周波数はSOTに比例し、半径はSOTに反比例するため、対称性駆動ダイナミクスを示す。