[论文解读] Double bit in-plane magnetic skyrmions on a track

Kyoung‐Woong Moon, Jungbum Yoon+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2018

Magnetic properties of thin films参考文献 53被引用 54

一句话总结

本文提出了一种新型的面内磁各向异性（IMA）系统中的磁skyrmion，其中具有相反拓扑荷的skyrmion可在同一背景磁化状态下共存。与传统的垂直磁各向异性（PMA）skyrmion不同，这些面内skyrmion可通过自旋霍尔效应和电流驱动运动，在单根磁线上实现双比特信息传输，展示了一条新型高密度skyrmion基跑道存储器的可行路径。

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.

研究动机与目标

• 探索面内磁各向异性（IMA）系统中磁skyrmion的存在与稳定性，与传统垂直磁各向异性（PMA）skyrmion进行对比。
• 研究具有相反拓扑荷的skyrmion是否可在同一磁背景中稳定共存，这一特性在PMA系统中无法实现。
• 展示利用共存的面内skyrmion在单根磁线上实现双比特信息传输的可行性。
• 分析在自旋转移力矩（SMT）和自旋霍尔效应作用下，面内skyrmion的动力学与运动行为，识别其独特的输运特性。

提出的方法

• 使用mumax代码进行微磁模拟，以建模和弛豫IMA系统中具有界面Dzyaloshinskii–Moriya相互作用（iDMI）的skyrmion构型。
• 采用Thiele方程方法推导在自旋转移力矩（SMT）和自旋轨道力矩（SOT）作用下的skyrmion动力学，包含非绝热性和阻尼效应。
• 通过积分公式 Q = (1/4π)∫𝐦∙(𝜕𝑥𝐦 × 𝜕𝑦𝐦)𝑑𝑥𝑑𝑦 定义拓扑荷Q，以确认skyrmion的稳定性并分类不同状态。
• 通过调节界面DMI能量密度（Dind）和饱和磁化强度（MS）构建相图，识别IMA skyrmion稳定存在的条件。
• 施加周期性边界条件，并模拟SMT（速度u = 5–10 m/s）和SOT（τd = 4–8 mT）作用下的skyrmion运动，研究其输运行为。
• 验证IMA skyrmion结构为具有相反核心极性的涡旋-反涡旋对，确认其净拓扑荷为±1。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有均匀背景磁化的单个面内磁各向异性（IMA）系统中，具有相反拓扑荷的磁skyrmion能否共存？
• RQ2 面内skyrmion在IMA系统中形成与稳定化的机制是什么？其与传统PMA skyrmion有何不同？
• RQ3 在自旋转移力矩（SMT）和自旋霍尔效应作用下，面内skyrmion的动力学行为有何差异？其是否可用于双比特信息传输？
• RQ4 决定面内skyrmion稳定性的关键材料参数（如Dind、MS）是什么？其与条纹畴态条件相比有何差异？
• RQ5 Thiele方程形式化方法是否可被适配以描述具有非对称自旋结构和非均匀Dij张量的面内skyrmion的运动？

主要发现

• 具有相反拓扑荷（+1和−1）的面内磁skyrmion可在同一均匀面内磁化背景中稳定共存，这一特性在传统PMA系统中无法实现。
• IMA skyrmion结构为具有相反核心极性的涡旋-反涡旋对，净拓扑荷为±1，通过拓扑荷积分得到验证。
• 微磁模拟表明，当 |HDMI| > MS 时，IMA skyrmion可被稳定，即当 Dind < 1.11|Dind|/√(μ₀A)（即“条纹条件”）时，稳定skyrmion存在于该阈值稍低的位置。
• 在自旋转移力矩（SMT）作用下，两种相反荷的skyrmion向同一方向运动，但表现出相反的自旋霍尔效应，从而实现双比特编码。
• Thiele方程预测，skyrmion速度依赖于非绝热性（β）和阻尼（α），SMT驱动下为 Vx = (β/α)ux，SOT驱动下为 Vx = 1/(αDxx)wx。
• 在受限纳米线结构中，两种skyrmion可被SMT相干驱动，证明了在单条磁道中实现双比特传输的可行性。