[论文解读] Finite size effects and stability of skyrmionic textures in nanostructures

Marijan Beg, Dmitri Chernyshenko+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2013

Magnetic properties of thin films被引用 1

一句话总结

本研究采用包含退磁效应的三维微磁模型，证明在零场且无磁晶各向异性的螺旋磁性薄膜中，Skyrmion自旋纹理是基态。研究揭示了Dzyaloshinskii-Moriya相互作用诱导的形状各向异性，使得通过Bloch点动力学实现磁滞核反转成为可能，这对稳定Skyrmion基器件至关重要。

ABSTRACT

Magnetic skyrmions have the potential to provide solutions for low-power, high-density data storage and processing. One of the major challenges in developing skyrmion-based devices is the skyrmions' magnetic stability in confined helimagnetic nanostructures. Through a systematic study of equilibrium states, using a full three-dimensional micromagnetic model including demagnetisation effects, we demonstrate that skyrmionic textures are the lowest energy states in helimagnetic thin film nanostructures at zero external magnetic field and in absence of magnetocrystalline anisotropy. We also report the regions of metastability for non-ground state equilibrium configurations. We show that bistable skyrmionic textures undergo hysteretic behaviour between two energetically equivalent skyrmionic states with different core orientation, even in absence of both magnetocrystalline and demagnetisation-based shape anisotropies, suggesting the existence of Dzyaloshinskii-Moriya-based shape anisotropy. Finally, we show that the skyrmionic texture core reversal dynamics is facilitated by the Bloch point occurrence and propagation.

研究动机与目标

• 研究受限螺旋磁性纳米结构中Skyrmion自旋纹理的稳定性和平衡态。
• 确定在无外场且无磁晶各向异性条件下，Skyrmion成为最低能量态的条件。
• 识别非基态Skyrmion构型的亚稳态区域。
• 探讨尽管形状对称且无形状各向异性，Skyrmion核取向为何表现出磁滞行为的根源。
• 分析Bloch点动力学在实现Skyrmion核反转中的作用。

提出的方法

• 采用完整的三维微磁模型，模拟螺旋磁性薄膜中的平衡态。
• 显式包含退磁场，以捕捉真实的磁相互作用。
• 通过系统性能量最小化识别基态与亚稳态。
• 通过追踪自旋纹理演化分析核取向反转的动力学。
• 将Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）作为手性耦合的主要来源。
• 量化能量简并的、具有相反核取向的Skyrmion态之间的磁滞行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无磁晶各向异性的零场螺旋磁性纳米结构中，Skyrmion自旋纹理在何种条件下为基态？
• RQ2 在对称纳米结构中，导致亚稳态Skyrmion构型的机制是什么？
• RQ3 为何双稳态Skyrmion自旋纹理即使在无形状或磁晶各向异性下仍表现出磁滞行为？
• RQ4 Dzyaloshinskii-Moriya相互作用如何在对称系统中诱导有效形状各向异性？
• RQ5 Bloch点在实现Skyrmion核反转动力学中扮演何种角色？

主要发现

• 在零外场且无磁晶各向异性的螺旋磁性薄膜纳米结构中，Skyrmion自旋纹理为最低能量态。
• 亚稳态构型存在于参数空间的不同区域，表明Skyrmion态之间存在有限的能垒。
• 即使无形状或磁晶各向异性，仍观察到两个能量简并的、核取向相反的Skyrmion态之间的磁滞行为。
• 该磁滞行为归因于基于Dzyaloshinskii-Moriya的形状各向异性，其可稳定不同的核取向。
• Skyrmion核反转通过动态反转过程中Bloch点的形成与传播得以实现。
• Bloch点的存在使得拓扑非平庸的自旋重配置成为可能，支持纳米器件中稳健的核开关。