Estudo do comportamento dinâmico de um skyrmion num filme fino ferromagnético sob a influência de uma rede de defeitos com simetria quadrada à temperatura nula

Abstract

Skyrmions são excitações topológicas cuja formulação teórica foi introduzida por Tony Skyrme em 1960, originalmente no contexto da física de partículas. Em materiais magnéticos da matéria condensada, surgem estruturas análogas conhecidas como skyrmions magnéticos. Elas aparecem devido à competição entre a interação de troca ferromagnética e a interação de Dzyaloshinskii–Moriya, resultando em texturas de spin estáveis e energeticamente favoráveis. Essas configurações apresentam dimensões típicas na escala nanométrica e podem se mover com baixo consumo de energia, o que as torna promissoras para aplicações em spintrônica.

Neste projeto, investigamos o comportamento dinâmico dos skyrmions em filmes finos ferromagnéticos, considerando uma rede periódica de centros de aprisionamento a temperatura zero. Utilizando técnicas de simulação e o modelo de partículas para skyrmions, estudamos o movimento dessas texturas magnéticas em um magneto quiral bidimensional contendo um arranjo quadrado de defeitos, nos quais alguns atuam como atratores e outros como centros repulsivos.

Os resultados mostram regimes de “directional locking” em ângulo de –45°, além de fluxos em direções próximas ao ângulo intrínseco de Hall do skyrmion. A análise dos parâmetros de pinning indica que reduzir a intensidade da interação atrativa diminui o limiar de força necessário para desancorar o skyrmion do centro de aprisionamento. Por outro lado, aumentar a intensidade repulsiva tende a estabilizar e ampliar o platô correspondente ao travamento em –45°. A combinação adequada entre forças atrativas e repulsivas permite ajustar tanto os ângulos de travamento quanto os intervalos de força associados.

O diâmetro efetivo dos defeitos também se mostrou um parâmetro de controle importante, permitindo selecionar diferentes respostas dinâmicas, com ângulos característicos de –45, –50, –55 e aproximadamente –59 graus. Esses resultados demonstram que o uso de uma rede de defeitos é uma ferramenta eficiente para controlar a trajetória e a resposta Hall efetiva dos skyrmions, oferecendo diretrizes relevantes para o desenvolvimento de dispositivos de memória e lógica baseados em texturas magnéticas topológicas.

Skyrmions are topological excitations whose theoretical formulation was introduced by Tony Skyrme in the 1960s in the context of particle physics. In condensed magnetic materials, analogous structures known as magnetic skyrmions arise from the competition between the ferromagnetic exchange interaction and the Dzyaloshinskii–Moriya interaction, resulting in stable and energetically favorable spin textures. These configurations have nanometric dimensions and can move with low energy consumption, making them relevant for spintronic applications.

In this project, we investigate the dynamical behavior of skyrmions in ferromagnetic thin films under the influence of periodic arrays of pinning centers at zero temperature. Using simulation techniques and the particle-based model for skyrmions, we simulate the dynamic behavior of these magnetic textures in a two-dimensional chiral magnet, considering a square arrangement of defects in which some defects act as attractors while others exert repulsion.

We observe regimes of directional locking at an angle of –45 degrees, as well as flows at angles close to the intrinsic Hall angle of the skyrmion. Analysis of the pinning parameters indicates that reducing the strength of the attractive interaction decreases the depinning threshold, while increasing the repulsive strength tends to stabilize and widen the plateau associated with locking at –45 degrees. The appropriate combination of attractive and repulsive intensities allows the modulation of both the locking angles and the corresponding force ranges.

The effective diameter of the defects also proved to be an additional control parameter, enabling the selection of distinct dynamic responses with characteristic angles of –45, –50, –55, and approximately –59 degrees. These results demonstrate that the use of this defect lattice is an efficient tool for controlling the trajectory and the effective Hall response of skyrmions, providing relevant guidelines for the implementation of memory and logic devices based on topological magnetic textures.