[论文解读] Positional stability of skyrmions in a racetrack memory with notched geometry

Md Golam Morshed, Hamed Vakili+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 66被引用 36

一句话总结

本文通过微磁模拟研究了在带槽结构的赛道存储器中磁性斯kyrmion的位置稳定性。结果表明，凹槽引起的skyrmion尺寸收缩可产生高达约45 kBT的能量势垒，使在约10^10 A/m²电流密度下实现数年位置稳定性成为可能，分析模型证实了该机制，并优于其他钉扎方法。

ABSTRACT

Magnetic skyrmions are chiral spin textures with attractive features, such as ultra-small size, solitonic nature, and easy mobility with small electrical currents that make them promising as information-carrying bits in low-power high-density memory, and logic applications. However, it is essential to guarantee the positional stability of skyrmions for reliable information extraction. Using micromagnetic simulations for the minimum energy path (MEP), we compute the energy barriers associated with stabilizing notches along a racetrack. We vary material parameters, specifically, the strength of the chiral Dzyaloshinskii-Moriya interactions (DMI), the notch geometry, and the thickness of the racetrack to get the optimal barrier height. We find that the reduction of skyrmion size as it squeezes past the notch gives rise to the energy barrier. We find a range of energy barriers up to ~ 45 kBT for a racetrack of 5 nm thickness that can provide years long positional lifetime of skyrmions for long-term memory applications while requiring a moderate amount of current (~ 10^10 A/m2) to move the skyrmions. Furthermore, we derive quasi-analytical equations to estimate the energy barrier. We also explore other pinning mechanisms, such as a local variation of material parameters in a region, and find that notched geometry provides the highest energy barrier. Our results open up possibilities to design practical skyrmion-based racetrack geometries for spintronics applications.

研究动机与目标

• 研究赛道存储器中带槽几何结构对skyrmion能量势垒的稳定作用。
• 确定最大化skyrmion位置稳定性的最优材料与几何参数。
• 将带槽几何结构与局部材料参数变化等其他钉扎机制进行比较。
• 推导用于预测带槽赛道中能量势垒的准解析模型。
• 评估实际存储应用中skyrmion解钉扎所需的运行电流要求。

提出的方法

• 使用MuMax3进行微磁模拟，求解skyrmion动力学的Landau-Lifshitz-Gilbert方程。
• 采用弦方法计算skyrmion穿越凹槽时的最小能量路径（MEP）。
• 改变Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）强度、凹槽半径和赛道厚度，以探索参数空间。
• 基于skyrmion在通过凹槽时尺寸减小的特性，推导出经验及准解析的能量势垒公式。
• 将模拟得到的能量势垒与基于无限平面上skyrmion能量加上现象学约束修正的解析模型进行对比。
• 评估解钉扎所需的电流，以评估其与低功耗电子电路的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 赛道中凹槽产生的能量势垒有多大？其大小如何依赖于DMI强度、凹槽几何形状和厚度？
• RQ2 skyrmion在通过凹槽时尺寸减小如何贡献于能量势垒的形成？
• RQ3 与其它钉扎机制（如局部材料参数变化）相比，带槽几何结构在能量势垒高度方面表现如何？
• RQ4 基于skyrmion尺寸和几何约束的准解析方程能否准确预测带槽赛道中的能量势垒？
• RQ5 解钉扎skyrmion所需的电流密度是多少？是否与低功耗自旋电子学应用兼容？

主要发现

• 在5 nm厚的赛道中，能量势垒最高可达约45 kBT，使skyrmion位置稳定性达到数年，适用于长期存储。
• 能量势垒源于skyrmion通过凹槽时因尺寸收缩而产生的能量变化。
• 在所测试的钉扎机制中，带槽几何结构产生的能量势垒最高，优于局部材料参数变化的方案。
• 基于无限平面上skyrmion能量并引入现象学约束修正的准解析模型，与模拟数据高度吻合。
• 解钉扎所需电流约为10^10 A/m²，属于中等水平，适合与低功耗电子电路集成。
• 本研究在参数空间中识别出一个“恰到好处”的稳定区域，可在稳定性与运行电流之间实现良好平衡，适用于实际skyrmion基存储器。