[논문 리뷰] Trochoidal motion and pair generation in skyrmion and antiskyrmion dynamics under spin-orbit torques

Ulrike Ritzmann, Stephan von Malottki외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 01.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 49인용 수 87

한 줄 요약

이 논문은 스핀-궤도 토크가 초박형 자화에서 트로코이달 운동 및 스커리미온–안티스커리미온 쌍 생성을 유도할 수 있음을 보이며, 역학은 DMI 대칭 및 핵 변형에 의존한다. 원자 수준 시뮬레이션, 축약 모델, 기계 학습을 결합해 동역학적 상을 매핑하고 비등방성 DMI 효과를 탐구한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 스핀-궤도 토크 하에서 강체 핵 모델을 넘는 스커리미온 및 안티스커리미온 동역학의 이해를 자극한다.
• Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI) 대칭이 반대 위상 전하의 운동에 미치는 영향을 조사한다.
• 핵 변형 역학을 설명하고 운동을 지배하는 나선 다양체 변수(헬리시티) 도입한다.
• 운동 유형 및 쌍 생성을 예측하는 동역학 상을 개발한다.
• 안티스커리미온의 역학을 통해 스커미온 격자의 시드를 형성할 가능성을 시연한다.

제안 방법

• 팔면체 격자를 가진 PdFe/Ir(111)-유사 이층층의 원자 스핀 다이나믹스 시뮬레이션.
• ψ(t) 형상의 헬리시티 자유도 및 변형 주도 에너지 U(ψ)를 포함하는 확장된 Thiele 모형.
• 식: 유효장에 의한 d m/dt 및 SOTs(식(3)); Thiele 유사 방정식으로 핵 위치 X(t) 결정(식(2)); 헬리시티 역학(식(4)).
• U_DM(DDL) 및 격자 항 U(ψ) ≈ u1 cos(ψ−ψ0) + u3 cos(3ψ) 등 에너지 기능을 포함.
• 궤적 유형(선형, 편향, 트로코이달)을 매핑하고 위상도를 구성하기 위한 머신러닝 분류.
• 필드-유사 및 댐핑-유사 SOTs(β_FL, β_DL) 및 DMI 대칭성에 대한 매개변수 탐색.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀-궤도 토크가 강체 핵 역학을 넘어서 스커리미온 및 안티스커리미온의 궤적에 어떤 변화를 가져오는가?
• RQ2 DMI 대칭이 SOT 하에서의 운동 유형 및 (안티)스커리미온의 안정성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 핵 변형 및 헬리시티 역학이 트로코이달 운동이나 쌍 생성으로 이어질 수 있는가?
• RQ4 선형, 편향, 트로코이달 및 쌍 생성을 구별하는 위상도를 어떻게 구성할 수 있는가?
• RQ5 안티스커리미온 주도 역학이나 핵 불안정성을 통해 스커미온 격자를 시드하는 것이 가능한가?

주요 결과

• SOT 하에서 안티스커리미온은 직선 이동, 편향된 이동, 트로코이달 이동의 세 가지 전파 영역을 보이며, 전이는 SOT 세기에 의해 좌우된다.
• 핵 변형은 SOT-유도 힘과 궤적을 조절하는 동적 헬리시티 ψ(t)를 도입한다.
• 내부 에너지 U(ψ)는 U(ψ)=u1 cos(ψ−ψ0)+u3 cos(3ψ)로 적합될 수 있으며, 직선에서 편향으로, 그리고 트로코이달 운동으로의 전이를 설명하고, SOT가 복원력보다 클 때 트로코이달 운동이 발생한다.
• 스커미온과 안티스커미온은 DMI 대칭성에 따라 서로 다르게 반응하며, 비등방성 DMI의 경우 안티스커미온이 에너지가 더 유리하고 서로 다른 운동 패턴을 보인다.
• 큰 SOT 하에서 안티스커미온이 스커미온–안티스커리미온 쌍을 핵생성하여 소멸과 남아있는 안티스커리미온에서의 지속적 쌍 생성이 일어나는 기상계(gas)가 형성될 수 있다.
• DMI가 없으면 두 텍스처 모두 원형 궤도에서 회전하며 주파수는 SOT의 제곱으로 스케일되고 반지름은 SOT에 반비례하는 대칭 주도적 역학을 보인다.