[论文解读] Statics and Dynamics of Skyrmions Interacting with Pinning: A Review

C. J. O. Reichhardt, C. J. O. Reichhardt+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 334被引用 13

一句话总结

本综述综合了当前对无序及有序环境中磁 skyrmion 动力学与钉扎行为的理解，强调了马格努斯力在实现与经典系统不同的独特钉扎、去钉扎及输运现象中的作用。文章指出，通过设计的钉扎势场可实现对 skyrmion 运动的调控，包括二极管与整流器行为，为低功耗自旋电子器件提供了潜在应用。

ABSTRACT

Magnetic skyrmions are topologically stable nanoscale particle-like objects that were discovered in 2009. Since that time, intense research interest has led to the identification of numerous compounds that support skyrmions over a range of conditions spanning cryogenic to room temperatures. Skyrmions can be set into motion under various types of driving, and the combination of their size, stability, and dynamics makes them ideal candidates for numerous applications. Skyrmions represent a new class of system in which the energy scales of the skyrmion-skyrmion interactions, sample disorder, temperature, and drive can compete. A growing body of work indicates that the static and dynamic states of skyrmions can be influenced strongly by pinning or disorder in the sample; thus, an understanding of such effects is essential for the eventual use of skyrmions in applications. In this article we review the current state of knowledge regarding individual skyrmions and skyrmion assemblies interacting with quenched disorder or pinning. We outline the microscopic mechanisms for skyrmion pinning, including the repulsive and attractive interactions that can arise from impurities, grain boundaries, or nanostructures. This is followed by descriptions of depinning phenomena, sliding states over disorder, the effect of pinning on the skyrmion Hall angle, the competition between thermal and pinning effects, the control of skyrmion motion using ordered potential landscapes such as one- or two-dimensional periodic asymmetric substrates, the creation of skyrmion diodes, and skyrmion ratchet effects. We highlight the distinctions arising from internal modes and the strong gyroscopic or Magnus forces that cause the dynamical states of skyrmions to differ from those of other systems with pinning. We also discuss future directions and open questions related to the pinning and dynamics in skyrmion systems.

研究动机与目标

• 系统化整理关于 skyrmion 与淬火无序及工程化钉扎势场相互作用的知识。
• 识别马格努斯力在塑造 skyrmion 动力学中的独特作用，使其与涡旋或胶体行为相区别。
• 探讨周期性与非对称钉扎势场如何实现对 skyrmion 运动的调控，以服务于器件应用。
• 解决 skyrmion 去钉扎、热效应以及驱动与无序共同作用下的集体行为等开放性问题。
• 提出未来研究方向，包括基于 skyrmion 的马约拉纳费米子操控与量子信息应用。

提出的方法

• 综述微磁模拟与基于粒子的模型（如 Thiele 方程），以描述在外场驱动与钉扎作用下 skyrmion 的动力学行为。
• 通过杂质、晶界与纳米结构分析钉扎机制，区分吸引与排斥相互作用。
• 利用连续体模拟绘制动态相图，包括弹性与塑性去钉扎转变。
• 结合数值与解析模型，研究通过钉扎与热效应调制 skyrmion 霍尔角的方法。
• 探索一维与二维周期性基底，包括用于实现整流运动（整流效应）与二极管行为的非对称阵列。
• 应用局域探针技术（如光学镊子或磁性探针）操控单个 skyrmion，以实现传感与量子控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 skyrmion 如何响应淬火无序？其产生的静态与动态相态是什么？
• RQ2 与阻尼系统相比，马格努斯力在何种程度上改变了 skyrmion 的去钉扎与滑动行为？
• RQ3 是否可通过对周期性或非对称钉扎势场进行工程设计，实现单向 skyrmion 输运（整流效应）或二极管行为？
• RQ4 热涨落如何与钉扎力及驱动力竞争，从而决定 skyrmion 的迁移率与霍尔角？
• RQ5 通过单个 skyrmion 的操控，其在探测或构建拓扑态（如马约拉纳费米子）方面具有哪些前景？

主要发现

• skyrmion 展现出强烈的钉扎效应，其强弱取决于材料厚度与缺陷类型，杂质与晶界可产生吸引或排斥作用。
• 马格努斯力导致陀螺运动，并使 skyrmion 的霍尔角对钉扎势场结构与热涨落敏感。
• 在一维周期性基底中，skyrmion 可因与周期势场的共振耦合而出现速度加快现象。
• 非对称的二维钉扎阵列可实现整流型 skyrmion 输运，在交流或直流驱动下表现出二极管行为与整流效应。
• 微磁模拟证实，skyrmion 的去钉扎转变可为弹性或塑性，且在无序系统中观察到级联式动力学行为。
• 通过光学镊子或磁性探针实现单个 skyrmion 的操控是可行的，且可为实现拓扑量子操作（包括马约拉纳束缚态的编织）提供可能。