Dynamic behavior of Skyrmions under the influence of periodic pinning in chiral magnetic infinite thin films

Abstract

Atualmente um dos maiores desafios na área de materiais é a miniaturização dos transistores para aplicação em novos processadores e dispositivos lógicos. Uma das altenativas viáveis é a utilização da spintrônica, baseada no movimento controlado de nanoestruturas magnéticas. Entre os potenciais candidatos, a descoberta de texturas magnéticas conhecidas como skyrmions, tem atraído considerável interesse. Skyrmions magnéticos são estruturas de spins quirais, topologicamente protegidas, e devido a serem muito estáveis, quando comparados com vórtices ou bolhas magnéticas, tem sido objeto de estudo nesses últimos anos. Com o objetivo de controlar o movimento dos skyrmions, essencial para aplicações, estudamos o comportamento dinâmico de skyrmions em um magneto quiral bidimensional a temperatura nula, sob influência de redes periódicas de centros de aprisionamento. As simulações são feitas na aproximação onde os skyrmions podem ser tratados como partículas pontuais. Neste modelo, o skyrmion está sujeito à interação com os demais skyrmions, com os centros de aprisionamento dispostos no material, a uma corrente de spins polarizados e à força de Magnus. Os cálculos foram feitos para diversos casos onde há a presença de um único skyrmion e também para diversos valores de densidade de skyrmions no material, procurando por possibilidades de controle de movimento, diversos regimes dinâmicos e efeitos coletivos. Os resultados mostram que ajustando o tamanho, força e densidade dos centros de aprisionamento é possível controlar o movimento de skyrmons individuais, e também controlar o fluxo de múltiplos skyrmions. Além disso, mostramos que caso haja espécies diferentes de skyrmions com diferentes componentes de Magnus, é possível fazer uma seleção topológica utilizando redes periódicas de centros de aprisionamento. Utilizando correntes alternadas, mostramos que o efeito ratchet tem um papel importante na dinâmica de skyrmions, fazendo com que ocorra movimento direto e controlado de skyrmions em determinadas direções apenas ajustando as amplitudes das correntes alternadas. A expectativa é que estes resultados possam ser úteis à comunidade científica para um melhor entendimento sobre a dinâmica de skyrmions e que resultem em futuras aplicações tecnológicas destas quase-partículas.

Op dit moment is een van de grootste uitdagingen op het gebied van materialen de miniaturisatie van transistors voor toepassingen in nieuwe processoren en logische apparaten. Een van de haalbare alternatieven is het gebruik van spintronica, gebaseerd op gecontroleerde beweging van magnetische nanostructuren. Onder potentiële kandidaten heeft de ontdekking van magnetische structuren, bekend als skyrmions, aanzienlijke belangstelling gekregen. Magnetische skyrmions zijn structuren met chirale spins, topologisch beschermd en vanwege hun grote stabiliteit in vergelijking met vortexen of magnetische bubbels, zijn ze de afgelopen jaren intensief bestudeerd. Om de beweging van skyrmions te kunnen controleren, wat essentieel is voor toepassingen, hebben we het dynamisch gedrag van skyrmions bestudeerd in een tweedimensionaal chiraal magnetisch materiaal bij nul temperatuur, onder invloed van periodieke netwerken van vangcentra. De simulaties zijn uitgevoerd in de benadering waarbij de skyrmions als puntdeeltjes kunnen worden behandeld. In dit model ondergaat de skyrmion interactie met andere skyrmions, met de vangcentra gerangschikt in het materiaal, een stroom van gepolariseerde spins en de Magnuskracht. De berekeningen zijn uitgevoerd voor verschillende gevallen waarbij er een enkele skyrmion aanwezig is, evenals voor verschillende waarden van de skyrmiondichtheid in het materiaal. We hebben gezocht naar mogelijkheden om de beweging te controleren, verschillende dynamische regimes en collectieve effecten te onderzoeken. De resultaten tonen aan dat het mogelijk is om de beweging van individuele skyrmions te controleren door de grootte, sterkte en dichtheid van de vangcentra aan te passen. Ook is het mogelijk om de stroming van meerdere skyrmions te beheersen. Bovendien hebben we aangetoond dat als er verschillende soorten skyrmions met verschillende Magnus-componenten zijn, het mogelijk is om topologische selectie uit te voeren met behulp van periodieke netwerken van vangcentra. Met behulp van wisselstromen hebben we aangetoond dat het ratchet-effect een belangrijke rol speelt in de dynamica van skyrmions. Door de amplitudes van de wisselstromen aan te passen, kan de beweging van skyrmions direct en gecontroleerd in bepaalde richtingen plaatsvinden. De verwachting is dat deze resultaten nuttig kunnen zijn voor de wetenschappelijke gemeenschap om een beter begrip van de dynamica van skyrmions te krijgen en dat ze kunnen leiden tot toekomstige technologische toepassingen van deze quasi-deeltjes.