Comportamento dinâmico de skyrmions em filmes quirais infinitos na presença de potenciais de aprisionamento periódicos a temperatura nula

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Data

2023-02-17

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Universidade Estadual Paulista (Unesp)

Resumo

Propostos inicialmente pelo físico inglês Tony Skyrme, skyrmions são quase-partículas que correspondem à uma distribuição de spins apontando em todas as direções sob uma esfera, e estão presentes em materiais ferromagnéticos, cristais líquidos, condensados de Bose-Einsten e outros. A sua formação deve-se primordialmente a duas interações concorrentes: a interação de troca ferromagnética e a interação de Dzyaloshinskii-Moriya. Skyrmions possuem propriedades físicas diferentes, porém apresentam algumas características em comum com vórtices em supercondutores, ambos minimizam suas interações repulsivas formando uma rede regular triangular, estabilizam em posição de equilíbrio na presença de centros de aprisionamento e entram em movimento quando submetidos a uma corrente de transporte, de modo a apresentarem correntes críticas e efeitos de comensurabilidade. É notável a capacidade dos skyrmions de entrarem em movimento para baixos valores de corrente de spins polarizados, isto faz com que possam ser manipulados com um baixo custo energético, tornado-os excelentes candidatos para aplicações em spintrônica. Uma boa compreensão da dinâmica de skyrmions e o controle do seu movimento são essenciais para futuras aplicações tecnológicas em spintrônica. No presente trabalho, usando técnicas de Dinâmica-Molecular, simulamos o comportamento dinâmico de skyrmions em materiais ferromagnéticos bidimensionais, sob a influência de potenciais assimétricos com geometria do tipo funil e temperatura nula, submetidos à corrente externa. Os resultados presentes neste trabalho mostram que é possível controlar o movimento dos skyrmions de modo acurado utilizando o potencial com geometria de funil. O controle foi feito utilizando correntes alternadas, chamadas de AC (alternating current), tanto na direção x, quanto na direção y. Foi encontrado que quando aplicamos AC paralelamente ao eixo dos funis (x), o sistema apresenta o efeito ratchet paralelamente, em que por conta da assimetria da rede o skyrmion tem um movimento líquido na direção do easy. Quando aplicamos AC perpendicularmente ao eixo dos funis (y) o skyrmion se move na direção de -x, ou seja, hard, com velocidade reduzida quando comparada com a outra direção. Isto ocorre como consequência do efeito Magnus-induced transverse ratchet. Os resultados obtidos aqui podem ser úteis para criação de dispositivos spintrônicos análogos aos utilizados em eletrônica, como dispositivos diodo.
Initially proposed by the british physicist Tony Skyrme, skyrmions are quasi-particles corresponding to a spin distribution pointing in all directions wrapping a sphere. This distribution is present on ferromagnetic materials, liquid crystals, Bose-Einstein condensates, and others. The ferromagnetic skyrmion formation is due to two major interactions: the ferromagnetic exchange interaction and the Dzyaloshinskii-Moriya interaction. Skyrmions have different physical properties, but exhibit some similar behavior with superconducting vortices: both minimize their repulsive interactions forming a triangular lattice, both exhibit similar behavior when interacting with pinning centers and both can be set in motion by applying currents. The current threshold which skyrmions are set in motion are reduced when compared to other spin textures, making it have a smaller energetic cost to manipulate, being excellent candidates for spintronic applications. The understanding of skyrmions dynamical behavior and the control of the skyrmions motion are essential for future technological applications on spintronics. On the present work, using Molecular Dynamics techniques, we simulate the dynamical behavior of skyrmions on bi-dimensional ferromagnetic materials, under the influence of asymmetric potentials with funnel geometry, zero temperature and external drives. The results on this work show that is possible to control the skyrmion motion accurately using the funnel geometry potential. The control was made using alternating currents, called AC, both in x and y directions. We found that when AC is applied along the funnel axes (x), the ratchet effect is observed, where by funnel asymmetry the skyrmion has a net motion on the easy direction. When we applied AC along the y direction, the skyrmion has a net motion along -x (hard) with reduced velocity when compared to the other case. This effect is called Magnus-induced transverse ratchet. The results here obtained may be useful for spintronic devices.

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Palavras-chave

Skyrmions, Spintrônica, Potencial Assimétrico, Spintronic, Asymmetric Potential

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