Нуклеация и коллапс магнитных топологических солитонов во внешнем магнитном поле
https://doi.org/10.17586/2220-8054-2023-14-2-216-222
Аннотация
В рамках гармонического приближения теории переходного состояния для магнитные степени свободы рассчитана зависимость времен жизни и частот спонтанного зарождения топологических магнитных солитонов от внешнего магнитного поля. Для двумерных магнитных скирмионов влияние магнитного поля на частоту распадов оказалась больше, чем на частоту процессов зарождения. Это объясняется более слабой зависимостью от магнитного поля энергии переходного состояния по сравнению с энергией метастабильного состояния скирмиона. Баланс частот нуклеации и коллапса скирмионов позволяет определить среднюю равновесную концентрацию скирмионов в тонкой пленке в зависимости от внешнего поля и температуры. Показано, что скирмионное и антискирмионное состояния могут существовать одновременно в квазидвухмерных тонких пленках в наклонном внешнем магнитном поле. Найдены магнитные конфигурации вблизи седловой точки и проведено сравнение путей с минимальным перепадом энергии для коллапса этих топологических солитонов.
Ключевые слова
Об авторах
М. Н. Поткина
ITMO University
Россия
Россия
И. С. Лобанов
ITMO University
Россия
Россия
В. М. Уздин
ITMO University
Россия
Россия
Список литературы
1. Parkin S.S.P., Hayashi M., Thomas L. Magnetic Domain-Wall Racetrack Memory. Science, 2008, 320, 5837, P. 190–194.
2. Wiesendanger R. Nanoscale magnetic skyrmions in metallic films and multilayers: A new twist for spintronics. Nat. Rev. Mater., 2016, 1, P. 16044.
3. Finocchio G., B¨ uttner F., Tomasello R., Carpentieri M., Kl¨au M. Magnetic skyrmions: from fundamental to applications. J Phys. D: Appl. Phys., 2016, 49, P. 423001.
4. Fert A., Reyren N., Cros V. Magnetic skyrmions: Advances in physics and potential applications. Nat. Rev. Mater., 2017, 2, P. 17031.
5. Bessarab P.F., Uzdin V.M., J´ onsson H. Harmonic transition-state theory of thermal spin transitions. Phys. Rev. B, 2012, 85, P. 184409.
6. Coffey W.T., Garanin D.A., Mccarthy D.J. Crossover formulas in the Kramers theory of thermally activated escape rates—application to spin systems. Adv. Chem. Phys., 2001, 117, P. 483–765.
7. Lobanov I.S., Potkina M.N., Uzdin V.M. Stability and lifetimes of magnetic states of nano- and microstructures (Brief review) JETP Lett., 2021 113, P. 833–847.
8. Bessarab P.F., Uzdin V.M., J´ onsson H. Size and Shape Dependence of Thermal Spin Transitions in Nanoislands. Phys. Rev. Lett., 2013, 110, P. 020604.
9. Suess D., Vogler C., Bruckner F., Heistracher P., Slanovc F., Abert, C. Spin torque efficiency and analytic error rate estimates of skyrmion racetrack memory. Sci. Rep., 2019, 9, P. 4827.
10. Uzdin V.M., Potkina M.N., Lobanov I.S., Bessarab P.F., J´ onsson H. The effect of confinement and defects on the thermal stability of skyrmions. Physica B: Condens. Matter., 2018, 549, 15, P. 6–9.
11. Uzdin V.M., Potkina M.N., Lobanov I.S., Bessarab P.F., J´ onsson H. Energy surface and lifetime of magnetic skyrmions. J. Magn. Magn. Mater., 2018, 459, P. 236–240.
12. Potkina M.N., Lobanov I.S., Uzdin V.M. Nonmagnetic impurities in skyrmion racetrack memory Nanosystems: phys., chem., math., 2020, 11 (6), P. 628–635.
13. Lobanov I.S., Uzdin V.M. Lifetime, collapse, and escape paths for hopfions in bulk magnets with competing exchange interactions. Phys. Rev. B, 2023, 107, P. 104405.
14. Potkina M.N., Lobanov I.S., J´onsson H., Uzdin V.M. Skyrmions in antiferromagnets: Thermal stability and the effect of external field and impuri ties. J. Appl. Phys., 2020, 127, P. 213906.
15. Voronin K.V. Lobanov I.S., Uzdin V.M. Activation Energy and Mechanisms for Skyrmion Collapse in Synthetic Antiferromagnets JETP Lett., 2022 116, P. 242–248.
16. Sampaio J., Cros V., Rohart S., Thiaville A., Fert A., Nucleation, stability and current-induced motion of isolated magnetic skyrmions in nanos tructures. Nat. Nanotech., 2013. 8, P. 839
17. Romming N., Hanneken C., Menzel M., Bickel J.E., Wolter B., von Bergmann K., Kubetzka A., Wiesendanger R. Writing and Deleting Single Magnetic Skyrmions. Science, 2013, 341, 6146, P. 636–639.
18. Iwasaki J., Mochizuki M., Nagaosa N. Current-induced skyrmion dynamics in constricted geometries. Nat. nanotech., 2013, 8, P. 742–747.
19. Desplat, L., Meyer, S., Bouaziz, J., Buhl, P.M., Lounis, S., Dup´e, B. and Hervieux, P.A. Mechanism for ultrafast electric-field driven skyrmion nucleation. Phys. Rev. B, 2021, 104, P. L060409.
20. Zhang X., Zhou Y., Song K.M., Park T.E., Xia J., Ezawa M., Liu X., Zhao W., Zhao G., Woo S. Skyrmion-electronics: writing, deleting, reading and processing magnetic skyrmions toward spintronic applications. J. Phys.: Cond. Mat., 2020, 14, P. 143001.
21. Belavin A.A. , Polyakov A.M. Metastable states of two-dimensional isotropic ferromagnets. JETP Lett., 1975 22, P. 503–506. [JETP Lett. 22, 245 (1975)].
22. Potkina, M.N., Lobanov, I.S., J´ onsson, H., Uzdin, V.M. Lifetime of skyrmions in discrete systems with infinitesimal lattice constant. J. Magn. Magn. Mater., 2022, 549, P. 168974.
23. von Malottki S., Bessarab P.F., Haldar S., Delin A. and Heinze S. Skyrmion lifetime in ultrathin films. Phys. Rev. B, 2019, 99, P. 060409.
24. Capic D., Garanin D.A., Chudnovsky E.M., Skyrmions in an oblique field. J. Magn. Magn. Mater., 2021, 537, P. 168215.
25. Peng L., Takagi R., Koshibae W., Shibata K., Nakajima K., Arima T.H., Nagaosa N., Seki S., Yu X. Tokura, Y., Controlled transformation of skyrmions and antiskyrmions in a non-centrosymmetric magnet. Nat. nanotech., 2020, 15, P. 181–186.
26. Jena J., G¨obel B., Ma T., Kumar V., Saha R., Mertig I., Felser C., Parkin, S.S.P. Elliptical Bloch skyrmion chiral twins in an antiskyrmion system. Nat. Commun., 2020, 11, P. 1115.
27. Hagemeister J., Romming N., von Bergmann K., Vedmedenko E.Y., Wiesendanger R. Stability of single skyrmionic bits. Nat. Commun., 2015, 6, P. 8455.
28. Nayak A.K., Kumar V., Ma T., Werner P., Pippel E., Sahoo R., Damay F., R¨ oßler U.K., Felser C., Parkin, S.S.P. Magnetic antiskyrmions above room temperature in tetragonal Heusler materials. Nature, 2017, 548(7669), P. 561–566.
29. Potkina M.N., Lobanov I.S., Tretiakov O.A., J´ onsson H., Uzdin, V.M. Stability of long-lived antiskyrmions in the Mn-Pt-Sn tetragonal Heusler material. Phys. Rev. B, 2020, 102, P. 134430.
30. Bessarab P. F., Uzdin V. M., J´onsson H. Method for finding mechanism and activation energy of magnetic transitions, applied to skyrmion and antivortex annihilation. Comp. Phys. Commun., 2015, 196, P. 335.
31. Lobanov, I. S., Uzdin, V. M. The lifetime of micron scale topological chiral magnetic states with atomic resolution. Comp. Phys. Commun., 2021, 269, P. 108136.
32. R´ ozsa L., Simon E., Palot´ as K., Udvardi L., Szunyogh L. Complex magnetic phase diagram and skyrmion lifetime in an ultrathin film from atomistic simulations. Phys. Rev. B, 2016, 93, P. 024417.
33. Wang C., Du H., Zhao X., Jin C., Tian M., Zhang Y., Che R. Enhanced stability of the magnetic skyrmion lattice phase under a tilted magnetic f ield in a two-dimensional chiral magnet. Nano lett., 2017 17, P. 2921.
Рецензия
Для цитирования:
Поткина М.Н., Лобанов И.С., Уздин В.М. Нуклеация и коллапс магнитных топологических солитонов во внешнем магнитном поле. Наносистемы: физика, химия, математика. 2023;14(2):216-222. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2023-14-2-216-222
For citation:
Potkina M.N., Lobanov I.S., Uzdin V.M. Nucleation and collapse of magnetic topological solitons in external magnetic field. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2023;14(2):216-222. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2023-14-2-216-222
Просмотров:
5
Послать статью по эл. почте 