[论文解读] Trochoidal motion and pair generation in skyrmion and antiskyrmion dynamics under spin-orbit torques

Ulrike Ritzmann, Stephan von Malottki+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2018

Magnetic properties of thin films参考文献 49被引用 87

一句话总结

本论文表明自旋轨道扭矩可以诱导超薄铁磁体中的 trochoidal motion 和 skyrmion–antiskyrmion 对生成，动态取决于 DMI 对称性和核心形变。它结合原子级模拟、简化模型和机器学习来绘制动力相图并探索各向异性 DMI 效应。

ABSTRACT

Skyrmions and antiskyrmions in magnetic ultrathin films are characterised by a topological charge describing how the spins wind around their core. This topology governs their response to forces in the rigid core limit. However, when internal core excitations are relevant, the dynamics become far richer. We show that current-induced spin-orbit torques can lead to phenomena such as trochoidal motion and skyrmion-antiskyrmion pair generation that only occurs for either the skyrmion or antiskyrmion, depending on the symmetry of the underlying Dzyaloshinskii-Moriya interaction. Such dynamics are induced by core deformations, leading to a time-dependent helicity that governs the motion of the skyrmion and antiskyrmion core. We compute the dynamical phase diagram through a combination of atomistic spin simulations, reduced-variable modelling, and machine learning algorithms. It predicts how spin-orbit torques can control the type of motion and the possibility to generate skyrmion lattices by antiskyrmion seeding.

研究动机与目标

• 推动在 spin-orbit torques 下超越刚性核模型对 skyrmion 和 antiskyrmion 动力学的理解。
• 研究 Dzyaloshinskii-Moriya 交互对称性如何影响相反拓扑荷的运动。
• 描述核心变形动力学并引入一个控制运动的 helicity 变量。
• 建立一个 dynamical phase diagram，用以预测运动类型和对的生成。
• 证明能够通过 antiskyrmion 动力学种子化 skyrmion 晶格。

提出的方法

• 对一个具有六角晶格的 PdFe/Ir(111)-样双层进行原子自旋动力学模拟。
• 扩展的 Thiele 型建模，加入一个螺旋度自由度 ψ(t) 和一个由变形驱动的能量 U(ψ)。
• 方程：d m/dt 及带有效场和 SOTs 的方程（Eq. 3）；通过 Thiele-类方程的核心位置 X(t)（Eq. 2）；螺旋度动力学（Eq. 4）。
• 能量泛函包括 DMI U_DM 和晶格项 U(ψ) ≈ u1 cos(ψ−ψ0) + u3 cos(3ψ)。
• 使用机器学习分类映射轨迹类型（linear, deflected, trochoidal）并构建相图。
• 对场样和衰减样 SOTs（β_FL, β_DL）和 DMI 对称性进行参数探索。

实验结果

研究问题

• RQ1 自旋轨道扭矩如何在超越刚性核动力学的情况下改变 skyrmions 和 antiskyrmions 的轨迹？
• RQ2 DMI 对称性在决定运动类型和稳定性方面的作用？
• RQ3 核心变形和 helicity 动力学是否会导致 trochoidal motion 或对的生成？
• RQ4 如何构建相图以区分 linear、deflected、trochoidal 区域以及对的生成？
• RQ5 是否可能通过 antiskyrmion 驱动动力学或核心不稳定性来种子化 skyrmion 晶格？

主要发现

• Antiskyrmions 在 SOTs 下显示三种传播模式：直线型、偏转型和 trochoidal 运动，转换由 SOT 强度支配。
• 核心变形引入一个动态螺旋度 ψ(t)，调制 SOT 驱动的力和轨迹。
• 内部能量 U(ψ) 可以拟合为 U(ψ)=u1 cos(ψ−ψ0)+u3 cos(3ψ)，描述从线性到偏转再到 trochoidal 运动的转换；当 SOT 超过恢复力时发生 trochoidal 运动。
• skyrmions 和 antiskyrmions 对 DMI 对称性的响应不同；对于各向异性 DMI，antiskyrmions 在能量上更被青睐，并呈现出不同的运动模式。
• 在强 SOT 条件下，antiskyrmions 能核生成 skyrmion–antiskyrmion 对，形成一个包含湮灭和来自幸存 antiskyrmions 的持续对生成的气体。
• 在无 DMI 时，两种纹理都在圆轨道上旋转，频率随 SOT 的平方关系变化，半径随 SOT 的倒数关系，凸显对称性驱动的动力学。