Estudo do comportamento de skyrmions em materiais magnéticos na presença de defeitos anisotrópicos

Abstract

Originalmente propostos para explicar a estabilidade de hádrons em física de partículas por Tony Skyrme, skyrmions são objetos topologicamente protegidos representados por spins envolvendo a esfera unitária. Skyrmions são observados em diferentes áreas da física, sendo uma delas o magnetismo. Skyrmions magnéticos são a projeção dos spins envolvendo a esfera unitária no plano. Devido ao tamanho reduzido dos skyrmions, baixo custo energético, e estabilidade garantida pela sua topologia, skyrmions magnéticos são candidatos promissores para aplicações em dispositivos spintrônicos. O comportamento dinâmico de skyrmions se assemelha ao de partículas sobreamortecidas; no entanto um termo de força de Magnus não dissipativo torna a dinâmica não trivial. Skyrmions podem ser movidos por correntes de spin polarizados, gradientes de parâmetros magnéticos e temperatura, e ondas de spins. Quando em movimento, skyrmions apresentam um ângulo de Hall intrínseco como consequência da força de Magnus, e uma habilidade de contornar defeitos da amostra, reduzindo a força de arraste necessária para movê-los. Alguns dispositivos baseados em skyrmions já foram propostos, tais como diodos, transistores e portas lógicas. Skyrmions também podem ser utilizados para computação não convencional, como computação neuromórfica e inteligência artificial. Neste trabalho, utilizando simulações atomísticas, investigamos a dinâmica e estabilidade de skyrmions interagindo com diferentes arranjos de defeitos modelados através de anisotropia magnética perpendicular (ou Perpendicular Magnetic Anisotropy, PMA). Foram investigados arranjos de PMA lineares, protrusões lineares, padrões assimétricos e arranjos de PMA periódicos, com diferentes simetrias. Estes arranjos foram investigados com correntes alternadas, contínuas e combinações dos dois tipos de correntes. O objetivo dos diferentes arranjos de defeitos é caracterizar os diferentes comportamentos dinâmicos que podem ser utilizados para controlar o movimento dos skyrmion. Condições para aniquilação também foram investigadas nos sistemas, evidenciando como diferentes valores de corrente, e tipos de correntes, podem afetar a estabilidade de skyrmions interagindo com defeitos na amostra. Ainda no quesito de estabilidade, condições para deformação dos skyrmions foram investigadas. Skyrmions não são a única textura promissora para aplicação em dispositivos de spintrônica, portanto outras texturas também foram investigadas e comparadas com os skyrmions. As texturas investigadas foram skyrmioniums, antiskyrmions, hopfions e torons. Condições para aniquilação destas texturas, assim como comportamento dinâmico interagindo com diferentes arranjos de defeitos, foram investigadas.

Firstly proposed for explaining hadrons' stability in particle physics by Tony Skyrme, skyrmions are topologically protected objects represented by spins involving the unit sphere. Although skyrmions were proposed in a different physics field, skyrmions are present in different fields of physics, one of them being magnetism. Magnetic skyrmions are the projection of the spins wrapping the unit sphere on the plane. Magnetic skyrmions have reduced size, small energy cost, and guaranteed stability from their topology. This characteristics made skyrmions gain attention from the scientific community as a candidate for creating spintronic devices. The skyrmions dynamics resemble the dynamics of overdamped particles; however a strong non-dissipative Magnus force makes the skyrmions dynamics non trivial. Skyrmions can be set in motion by polarized spin currents, magnetic parameters and temperature gradients and spin waves. During the skyrmion motion, as a consequence of the effects from the Magnus force, skyrmions exhibit motion following an angle, known as the skyrmion intrinsic Hall angle; also as consequence of the Magnus force, skyrmions can contour defects instead of being pinned by them, which reduces the required drag force for moving. Different devices using skyrmions were already proposed, such as diodes, transistors and logic gates. Skyrmions also can be used for non-conventional computing, such as neuromorphic computing and artificial intelligence. In this work, using atomistic simulations, we investigate the dynamics and stability of skyrmions interacting with different defect arrays modeled using perpendicular magnetic anisotropy (PMA). Arrays of linear defects, linear protrusions, asymmetric arrays and periodic defects, with different symmetries, were investigated. The arrays were investigated in a combination of dc, ac and combinations of both. The objective of investigating different arrays of defects is to characterize different dynamical behavior, which can be used to control the skyrmions motion. Annihilation conditions were investigated, showing how different current values, and type of currents, can affect skyrmions stability. Conditions for skyrmions deformations were also investigated. Since skyrmions are not the only promising candidates for spintronic devices, we investigated the dynamics and stability of skyrmioniums, antiskyrmions, hopfions and torons. We investigated annihilation conditions and dynamics when interacting with different arrays of defects.