[论文解读] Impact of curvature-induced Dzyaloshinskii-Moriya interaction on magnetic vortex texture in spherical caps

Mykola I. Sloika, Yuri Gaididei+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2022

Magnetic properties of thin films参考文献 55被引用 1

一句话总结

本文推导了曲面帽状磁性涡旋的微磁模型，表明曲率诱导的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）在帽状边缘诱导出有限的方位角磁化倾角——这与闭合球形壳体不同——从而导致表面能增加。关键的是，曲率诱导的DMI会均匀增大涡旋核心尺寸，无论涡旋的旋转方向或极性如何，这与平面圆盘中核心尺寸取决于DMI乘积符号的情况形成鲜明对比。

ABSTRACT

Geometric curvature of nanoscale magnetic shells brings about curvature-induced anisotropy and Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI). Here, we derive equations to describe the profile of the magnetic vortex state in a spherical cap. We demonstrate that the azimuthal component of magnetization acquires a finite tilt at the edge of the cap, which results in the increase of the magnetic surface energy. This is different compared to the case of a closed spherical shell, where symmetry of the texture does not allow any tilt of magnetization at the equator of the sphere. Furthermore, we analyze the size of the vortex core in a spherical cap and show that the presence of the curvature-induced DMI leads to the increase of the core size independent of the product of the circulation and polarity of the vortex. This is in contrast to the case of planar disks with intrinsic DMI, where the preferred direction of circulation as well as the decrease or increase of the size of vortex core is determined by the sign of the product of the circulation and polarity with respect to the sign of the constant of the intrinsic DMI.

研究动机与目标

• 建立具有曲率诱导Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）的球形帽状磁性涡旋状态的微磁模型。
• 分析几何曲率如何破坏对称性，并在纳米尺度磁性壳层中诱导手性磁化结构。
• 确定曲率诱导DMI对涡旋核心尺寸和磁化分布的影响，特别是在帽状边缘处的影响。
• 对比球形帽状结构与平面圆盘及闭合球形壳体的行为，突出对称性破缺效应。

提出的方法

• 采用曲面微磁方法，为超薄曲面铁磁壳层建立微磁框架。
• 通过法向矢量 ˆn 引入形状依赖各向异性，将系统建模为包含交换能、磁静力能和曲率诱导DMI的模型。
• 推导出包含曲率诱导DMI项的有效能密度，该能量密度与局部几何结构和磁化方向耦合。
• 通过数值求解微磁平衡方程，确定磁化分布，包括帽状边缘处的方位角倾角。
• 比较存在与不存在曲率诱导DMI时，球形帽状结构中涡旋核心尺寸和磁化纹理的差异。
• 利用有限元模拟（MAGPAR软件包）验证分析预测，并量化核心尺寸的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 与闭合球形壳体相比，曲率诱导DMI如何影响球形帽状结构中的磁化纹理？
• RQ2 帽状边缘在曲率诱导DMI作用下如何促成非零方位角磁化倾角？
• RQ3 曲率诱导DMI是否改变球形帽状结构中涡旋核心尺寸？若改变，其与涡旋旋转方向和极性的关系如何？
• RQ4 球形帽状结构中核心尺寸的演化与具有本征DMI的平面纳米圆盘有何不同？
• RQ5 曲率诱导DMI是否能导致与涡旋手性无关的普遍核心尺寸增大？

主要发现

• 曲率诱导DMI在球形帽状边缘处诱导出有限的方位角磁化倾角，而对称的闭合球形壳体中则不存在此现象。
• 该边缘诱导的倾角由于边界处对称性破缺，导致磁表面能增加。
• 曲率诱导DMI的存在导致涡旋核心尺寸均匀增大，无论涡旋旋转方向与极性乘积的符号如何。
• 该行为与具有本征DMI的平面圆盘形成鲜明对比，在平面圆盘中核心尺寸的增减取决于DMI乘积的符号。
• 核心尺寸的增加是能量泛函中曲率诱导DMI项的直接结果，该项稳定了更大的核心构型。
• 数值模拟证实，核心尺寸随曲率诱导DMI强度的增加而单调增大，且与涡旋手性无关。