[논문 리뷰] Statics and Dynamics of Skyrmions Interacting with Pinning: A Review

C. J. O. Reichhardt, C. J. O. Reichhardt외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 20.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 334인용 수 13

한 줄 요약

이 리뷰는 비순정 및 구조화된 환경에서 스카이미언의 역학과 고정 현상에 대한 현재의 이해를 종합적으로 다루며, 고전적 시스템과는 다름없는 고유한 고정, 해제 및 운동 현상을 가능하게 하는 망그누스 힘의 역할을 강조한다. 설계된 고정 풍경을 통해 스카이미언 운동의 제어, 예를 들어 다이오드 및 래치트 효과를 가능하게 하며, 저전력 스핀트로닉스 장치에 응용 가능성을 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고정된 불순이나 설계된 고정 퍼텐셜과의 스카이미언 상호작용에 대한 지식을 체계화하기 위해.
• 스카이미언의 역학을 비틀기 운동과 구분짓는 데 핵심적인 망그누스 힘의 고유한 역할을 규명하기 위해.
• 정기적 및 비대칭 고정 풍경이 스카이미언 운동 제어를 가능하게 하여 장치 응용에 기여할 수 있는지를 탐색하기 위해.
• 스카이미언 해제, 열 효과, 그리고 외부 힘과 불순물이 함께 작용할 때의 집단적 행동에 대한 열린 질문들을 다루기 위해.
• 미래 연구 방향을 제안하기 위해, 스카이미언 기반의 마요라나 페르미온 조작 및 양자 정보 응용을 포함한다.

제안 방법

• 외부 힘과 고정 조건 하에서 스카이미언 역학을 기술하기 위해 마이크로자기 모의 실험과 입자 기반 모델(예: 티엘 방정식)을 검토한다.
• 불순물, 결정립 경계 및 나노구조를 통한 고정 메커니즘 분석을 통해 흡인 및 반발 상호작용을 구분한다.
• 연속체 모의 실험을 사용하여 탄성 및 비탄성 해제 전이를 포함한 동적 상도도를 그린다.
• 수치적 및 해석적 모델을 사용하여 고정 및 열 효과에 의해 스카이미언 할른 각도가 어떻게 조절되는지 조사한다.
• 1차원 및 2차원 정기적 기초 위상, 비대칭 배열을 통한 정류된 운동(래치트 효과) 및 다이오드 유사 행동을 탐색한다.
• 단일 스카이미언을 조작하기 위한 국소적 探침 기술(예: 광학 트랩 또는 자기 터치)을 적용하여 센서 및 양자 제어에 응용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스카이미언은 고정된 불순물에 어떻게 반응하며, 그로 인해 발생하는 정적 및 동적 상은 무엇인가?
• RQ2 망그누스 힘은 과다진동 시스템과 비교해 스카이미언의 해제 및 슬라이딩 행동을 어떻게 변화시키는가?
• RQ3 정기적 또는 비대칭 고정 풍경을 설계하여 단방향 스카이미언 운동(래치트 효과) 또는 다이오드 유사 행동을 달성할 수 있는가?
• RQ4 열 변동은 스카이미언 이동도와 할른 각도를 결정하는 데 고정력과 외부 힘과 어떻게 경쟁하는가?
• RQ5 단일 스카이미언 조작을 통해 토폴로지적 상태, 예를 들어 마요라나 페르미온을 탐색하거나 설계할 수 있는 가능성은 무엇인가?

주요 결과

• 스카이미언은 재료 두께와 결함 유형에 따라 강한 고정 효과를 보이며, 불순물과 결정립 경계에서 흡인 및 반발 상호작용이 모두 가능하다.
• 망그누스 힘은 자이로스코픽 운동을 유도하며, 스카이미언 할른 각도는 고정 풍경의 구조와 열 변동에 민감하게 반응한다.
• 1차원 정기적 기초 위상에서는 스카이미언이 정기적 위치 에너지와 공진 결합하여 속도 증가 효과를 경험할 수 있다.
• 비대칭 2차원 고정 배열은 정류된 스카이미언 운동을 가능하게 하며, 교류 또는 직류 힘 작용 하에서 다이오드 유사 행동과 래치트 효과를 나타낸다.
• 마이크로자기 모의 실험은 스카이미언 해제 전이가 탄성 또는 비탄성일 수 있으며, 불순물이 많은 시스템에서는 애벌런치 유사 동역학이 관측됨을 확인한다.
• 광학 트랩 또는 자기 터치를 통한 단일 스카이미언 조작은 가능하며, 마요라나 결합 상태의 브레딩을 포함한 토폴로지적 양자 연산을 가능하게 할 수 있다.