[论文解读] Composite Skyrmion bags in two-dimensional materials

David Foster, Charles Kind+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2018

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 32被引用 4

一句话总结

本文提出复合Skyrmion袋——在二维磁性与液晶系统中，由多个Skyrmion嵌套构成的拓扑稳定结构——在电流驱动下表现为单一、鲁棒的实体。通过源自高能物理的Yukawa型偶极子相互作用，作者在实验与模拟中证明，这些袋结构具有稳定性，其相互作用行为如同单个Skyrmion，并可实现更高密度、更鲁棒的赛道记忆器件。

ABSTRACT

Skyrmions are particle-like topological excitations, studied in various condensed matter systems and models of high-energy physics (HEP). They occur as stable spin textures in certain planar magnetic materials and as configurations in chiral nematic liquid crystals, having been originally proposed as model of atomic nuclei. Since magnetic Skyrmions can be accelerated with a current, they have the potential to encode bits in low-power magnetic storage devices. Drawing on techniques from HEP, we demonstrate that magnetic and liquid crystal Skyrmions interact like orientation dependent, localised particles, explaining previously observed Skyrmion behaviour. This interaction motivates the construction of Skyrmion bags: textures of high topological degree which we realise experimentally in liquid crystals, and in magnetic materials by computer simulations. These Skyrmion bags configurations are nested multiple Skyrmions, which act like single Skyrmions in pairwise interaction, and under the influence of a current in magnetic materials. These results emphasize equivalent Skyrmion behaviour in different physical systems, and suggest new, high-density magnetic memory storage devices based on Skyrmion bags.

研究动机与目标

• 理解二维磁性与手性向列液晶系统中Skyrmion-Skyrmion相互作用的本质。
• 基于Yukawa型偶极子相互作用，建立更高拓扑度拓扑纹理的统一理论框架。
• 探索复合Skyrmion袋作为高密度磁性存储候选物的稳定性与动力学特性。
• 通过实验与数值模拟证明，Skyrmion袋可作为单一、电流驱动的实体，适用于赛道记忆应用。

提出的方法

• 将二维高能物理模型（Piette & Zakrzewski, 1994）适配用于描述二维材料中Skyrmion的相互作用。
• 基于Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）与梯度能项，推导出Skyrmion之间的Yukawa型相互作用势能。
• 通过Skyrmion轮廓函数的渐近分析，建立依赖于相对取向的长程偶极子样相互作用模型。
• 将袋内Skyrmion的内部排列映射至圆排列问题，识别出稳定构型（例如，S(13)具有两种最优排列）。
• 通过动力学微磁模拟（MuMax3）研究赛道几何结构中电流驱动下Skyrmion袋的运动行为。
• 在手性向列液晶中开展实验观测，以验证预测的排斥相互作用与袋结构形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁性与液晶系统中的Skyrmion在长程下如何相互作用？其取向依赖的排斥作用由什么机制决定？
• RQ2 在具有高拓扑荷的二维系统中，多个Skyrmion的复合结构——Skyrmion袋——能否被稳定？
• RQ3 Skyrmion袋是否可表现为单一、电流驱动的实体，适用于赛道记忆应用？
• RQ4 内部Skyrmion排列与复合袋结构稳定性之间存在何种关系？
• RQ5 S(13)构型的Skyrmion袋能否支持两种不同的、可切换的稳定状态，以实现数据编码？

主要发现

• Skyrmion之间的相互作用为Yukawa型排斥，其势能 $V_{\text{int}} \approx \frac{C^2 \mu_J}{\pi} \cos\gamma \frac{e^{-\sqrt{\mu_J} R}}{\sqrt{R}}$，其中 $\gamma$ 为相对取向角。
• 具有拓扑荷 $n$ 的Skyrmion袋，其半径随 $n$ 近似线性增加，直至 $S(15)$，该结果经MuMax3模拟验证。
• $S(13)$ Skyrmion袋构型支持两种不同的稳定几何排列，分别对应于两种已知的最优圆排列，从而实现二进制数据编码。
• 动力学微磁模拟表明，磁性Skyrmion袋可在赛道器件中由电流传导，其行为与单个Skyrmion类似。
• 手性向列液晶中的实验观测证实了Skyrmion之间预测的排斥相互作用，验证了理论模型。
• Skyrmion袋的内部结构由排斥相互作用与拓扑约束共同稳定，其中中心反Skyrmion区域倾向于 $\gamma = \pi/\,2$ 以实现能量最小化。