[논문 리뷰] Double bit in-plane magnetic skyrmions on a track

Kyoung‐Woong Moon, Jungbum Yoon외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 30.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 53인용 수 54

한 줄 요약

이 논문은 평면 내 자기이방성(IMA) 시스템에서 새로운 유형의 자기 스카이크미온을 제안하며, 이는 서로 다른 위상적 전하를 가진 스카이크미온이 동일한 배경 자화 상태에서 공존할 수 있음을 보여준다. 기존의 수직 자기이방성(PMA) 스카이크미온과는 달리, 이러한 평면 스카이크미온은 스핀 홀 효과와 전류 구동 운동을 통해 단일 자기 와이어에서 이중 비트 정보 전송을 가능하게 하여, 더 높은 정보 밀도를 가진 스카이크미온 기반 레이서택 메모리의 새로운 길을 제시한다.

ABSTRACT

A magnetic skyrmion isusually refers to a twisted spin texture surrounded by uniformly aligned out-of-plane spinsin the background of a uniformly magnetized state. The invariance of the magnetic skyrmion conserves its topological charge under any continuous transformations of the spin textures, leads to which represents the robustness of a magnetic skyrmion their texture against external perturbations, making it ideal to use skyrmions as . Such a behaviour is required for an ideal information carriers. To date, most magnetic skyrmion studies have been performedfocused on in perpendicularly magnetized systems, where the skyrmion topological number is determined by the relative orientation between the core and /outer perpendicular magnetization directions of the skyrmion is either up/down or down/up. Here we show that there also exists a new type of magnetic skyrmion with surrounding spins to be uniformly aligned to the in-plane direction. By continuous transformation and relaxation of the spin textures of out-of-plane skyrmions, we showed that an in-plane skyrmion, where the background magnetization is in the in-plane direction, is also possible. Different from the conventional perpendicular magnetic skyrmionsContrary to the skyrmions in a perpendicularly magnetized state, the in-plane magnetic skyrmions with opposite signs of topological charges can inherentlycharges can inherently coexist in the in-plane magnetization system coexist. Moreover, the iIn-plane skyrmions of opposite charge can move together by an electric current and exhibit with an opposite spin Hall effect. These findings showdemonstrate the inherent possibility of a double-bit transfer in a single magnetic wire that is not possible in a perpendicularly magnetized system.

연구 동기 및 목표

• 평면 내 자기이방성(IMA) 시스템에서 스카이크미온의 존재성과 안정성을 탐색하고, 기존의 수직 자기이방성(PMA) 스카이크미온과 대비한다.
• 서로 다른 위상적 전하를 가진 스카이크미온이 동일한 자기 배경에서 공존할 수 있는지 조사한다. 이는 PMA 시스템에서는 불가능한 특성이다.
• 단일 자기 와이어 내에서 공존하는 평면 스카이크미온을 이용한 이중 비트 정보 전송의 가능성을 입증한다.
• 스핀 전달 토크(SMT) 및 스핀 홀 효과에 의한 평면 스카이크미온의 동역학과 운동을 분석하여, 그들만의 독특한 운동 특성을 규명한다.

제안 방법

• 인터페이셜 디아로시오슈키–모리야 상호작용(iDMI)이 존재하는 IMA 시스템에서 스카이크미온 구성을 모델링하고 안정화하기 위해 mumax 코드를 사용한 마이크로자기 시뮬레이션을 수행하였다.
• 스핀 전달 토크(SMT) 및 스핀 오비트 토크(SOT) 하에서 스카이크미온의 운동을 유도하기 위해 티엘의 방정식 접근법을 사용하였으며, 비아디아바틱성과 감쇠 효과를 포함시켰다.
• 스카이크미온의 안정성과 상태 분류를 확인하기 위해 위상적 전하 Q를 적분식 Q = (1/4π)∫𝐦∙(𝜕𝑥𝐦 × 𝜕𝑦𝐦)𝑑𝑥𝑑𝑦로 정의하였다.
• iDMI 에너지 밀도(Dind)와 과포화 자화(MS)를 변화시켜 단계도를 구성함으로써 IMA 스카이크미온의 안정성 조건을 규명하였다.
• 주기적 경계 조건을 적용하고, SMT(속도 u = 5–10 m/s) 및 SOT(τd = 4–8 mT) 하에서 스카이크미온의 운동을 시뮬레이션하여 운동 특성을 연구하였다.
• IMA 스카이크미온의 구조가 반대 극성의 코어를 가진 비틀림-반비틀림 쌍임을 확인하였으며, 네트 위상적 전하가 ±1임을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 균일한 배경 자화 상태에서, 서로 다른 위상적 전하를 가진 스카이크미온이 단일 평면 내 자기이방성(IMA) 시스템에 동시에 존재할 수 있는가?
• RQ2 IMA 시스템에서 평면 스카이크미온의 형성 및 안정성 원리는 무엇이며, 기존의 PMA 스카이크미온과 어떻게 다를까?
• RQ3 스핀 전달 토크(SMT)와 스핀 홀 효과에 의한 평면 스카이크미온의 운동 특성은 어떻게 다를 수 있으며, 이는 이중 비트 정보 전송에 활용될 수 있는가?
• RQ4 스카이크미온의 안정성을 결정짓는 주요 재료 파rameter들(Dind, MS 등)은 무엇이며, 스트립 도메인 조건과 비교해보면 어떠한가?
• RQ5 비대칭 스핀 구조와 비균일한 Dij 텐서를 가진 평면 스카이크미온의 운동을 기술하기 위해 티엘 방정식 체계를 어떻게 수정할 수 있는가?

주요 결과

• 서로 다른 위상적 전하(+1 및 −1)를 가진 평면 스카이크미온이 동일한 균일한 평면 자화 배경에서 공존할 수 있으며, 이는 기존의 PMA 시스템에서는 불가능한 특성이다.
• IMA 스카이크미온의 구조는 반대 극성의 코어를 가진 비틀림-반비틀림 쌍이며, 이로 인해 네트 위상적 전하가 ±1이 된다. 이는 위상적 전하 적분을 통해 확인되었다.
• 마이크로자기 시뮬레이션 결과, |HDMI| > MS 조건에서 IMA 스카이크미온이 안정화되며, 이는 Dind < 1.11|Dind|/√(μ₀A) 조건(즉, '스트립 조건')을 약간 아래에서 발생한다. 이 조건 이하에서 안정된 스카이크미온이 존재한다.
• 스핀 전달 토크(SMT) 하에서, 서로 다른 전하를 가진 스카이크미온은 같은 방향으로 이동하지만, 스핀 홀 효과의 방향은 반대가 되므로 이중 비트 인코딩이 가능하다.
• 티엘 방정식에 따르면, 스카이크미온의 속도는 비아디아바틱성(β)과 감쇠 계수(α)에 의존하며, SMT 및 SOT에 의한 운동 각각에 대해 Vx = (β/α)ux 및 Vx = 1/(αDxx)wx로 표현된다.
• 제한된 와이어 구조에서, 두 스카이크미온은 SMT에 의해 일관적으로 구동되며, 이는 단일 자기 트랙에서 이중 비트 전송의 가능성을 입증한다.