Stability and dynamics of magnetic skyrmions

Abstract

Магнитные скирмионы, представляющие собой локализованные спиновые структуры с топологическим зарядом, благодаря малым размерам и высокой подвижности являются одними из наиболее перспективных кандидатов для создания сверхплотной и сверхбыстрой магнитной памяти. Для использования их в качестве элементов памяти важна информация об их устойчивости относительно тепловых флуктуаций и внешних воздействий. В работе в рамках теории переходного состояния получены оценки для активационных барьеров, определяющих времена жизни скирмионов в условиях ограниченной геометрии и в присутствии дефектов атомного масштаба. Многомерная энергетическая поверхность системы строилась на основе гамильтониана гейзенберговского типа, включающего обменное взаимодействие между ближайшими соседями, энергию анизотропии, взаимодействие Дзялошинского-Мория и зеемановскую энергию взаимодействия со внешним полем. Геодезическим методом подталкивания упругой лентой на энергетической поверхности находились пути с минимальным перепадом энергии, максимумы вдоль которых определяют активационные барьеры для соответствующих переходов: аннигиляции и нуклеации скирмионов на треке конечной ширины, локализации и отрыва скирмиона от примеси, проход скирмиона через сужение на треке и др. Для параметров, соответствующих системе Pd/Fe/Ir(111), в которой скирмионы наблюдались экспериментально, показано, что активационные барьеры для аннигиляции, и для нуклеации скирмиона на границе трека меньше, чем в центре при всех значениях ширины трека. Поэтому способ записи и уничтожения скирмионов на границе требует меньших энергетических затрат, что важно для приложений в будущих устройствах памяти на основе скирмионов. Было исследовано поведение скирмиона на треке с сужением и найдены энергетические барьеры, необходимые для прохода скирмиона. При этом для достаточно узкого трека предсказан механизм прохода скирмиона, сопровождающийся превращением его в доменную стенку и обратно. Изучен вопрос о влиянии немагнитных дефектов, а также совместное влияние дефектов и конечных размеров образца на устойчивость скирмионов. Получено объяснение наблюдаемой экспериментально локализации скирмионов на дефектах и того факта, что под действием спин-поляризованного тока с иглы туннельного микроскопа скирмионы рождаются, как правило, вблизи дефектов. На основе доказанного расчетами эффекта локализации скирмионов на немагнитных дефектах предложена идея реализации трека для скирмионов в виде дорожки из немагнитных дефектов. Определено оптимальное расстояние между такими дефектами. Список публикаций 1. М.Н.Поткина, И.С.Лобанов, В.М.Уздин «Устойчивость магнитных скирмионов в пространственно ограниченных системах», сборник трудов международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», том 1, с. 226, Нижний Новгород, 12-17 марта, 2017 г. http://nanosymp.ru/ru/index 2. Valery M. Uzdin, Maria N. Potkina, Igor S. Lobanov, Hannes Jónsson "The effect of confined geometry and defects on the thermal stability of skyrmions", Abstracts of 11th Symposium on Hysteresis Modeling and Micromagnetics (HMM 2017), Barselona, May, 29th to 31st 2017. https://sites.google.com/site/hmmbcn2017/program/abstracts 3. Valery M. Uzdin, Maria N. Potkina, Igor S. Lobanov, Pavel F. Bessarab, Hannes Jónsson "The effect of confinement and defects on the thermal stability of skyrmions" // Physica B (in print). https://arxiv.org/abs/1705.02930 4. Uzdin V.M., Potkina M.N., Lobanov I.S., Jónsson H. «Energy surface and lifetime of magnetic skyrmions», принят в качестве приглашенного доклада, https://mism.magn.ru/en/

The stability of topologically protected skyrmionic states in confined geometry is investigated within the framework of the transition state theory for magnetic degrees of freedom. Activation barriers separating the skyrmion and the ferromagnetic states are calculated using geodesic nudged elastic band method (GNEB). Skyrmion on a track with a variable width is considered. The effect of nonmagnetic impurities on the stability of the skyrmion is investigated. A theoretical confirmation of the skyrmion localization on impurities, observed in the experiment, is obtained. The new design of impurity racetrack for future memory devices is proposed. The list of the publications 1. M.N.Potkina, I.S.Lobanov, V.M.Uzdin "Stability of magnetic skyrmions in spatially constricted systems", book of abstracts of the international symposium "Nanophysics and Nanoelectronics", volume 1, p. 226, Nizhny Novgorod, March 12-17, 2017. http://nanosymp.ru/ru/index 2. Valery M. Uzdin, Maria N. Potkina, Igor S. Lobanov, Hannes Jónsson "The effect of confined geometry and defects on the thermal stability of skyrmions", Abstracts of 11th Symposium on Hysteresis Modeling and Micromagnetics (HMM 2017), Barselona, May, 29th to 31st 2017. https://sites.google.com/site/hmmbcn2017/program/abstracts 3. Valery M. Uzdin, Maria N. Potkina, Igor S. Lobanov, Pavel F. Bessarab, Hannes Jónsson "The effect of confinement and defects on the thermal stability of skyrmions" // Physica B (in print). https://arxiv.org/abs/1705.02930 4. Uzdin V.M., Potkina M.N., Lobanov I.S., Jónsson H. «Energy surface and lifetime of magnetic skyrmions», accepted as an invited report, https://mism.magn.ru/en/