Оптимальность линейного вакансионного дефекта для нуклеации скирмионов
https://doi.org/10.17586/2220-8054-2025-16-3-317-324
Аннотация
Магнитные скирмионы открывают перспективу создания сверхплотных и энергоэффективных устройств памяти, однако их эффективная запись остается сложной задачей. Используя атомистическое спиновое моделирование и расчёты путей с минимальным перепадом энергии в пленке PdFe/Ir(111), мы показали, что нанесение линейных цепочек из четырёх атомных вакансий почти вдвое снижает барьер нуклеации скирмиона — до 44,7 мэВ при 3,75 Тл — по сравнению с 85 мэВ в образце без примесей. Линейные дефекты являются наилучшим решением за счёт того, что они исключают области с высокой энергией в ядре во время создания скирмиона, при этом минимально нарушая его внешнее окружение с плотностью отрицательной энергии при депиннинге. Этот эффект, обусловленный геометрией, основан только на общих профилях плотности энергии, что делает его широко применимым ко всем материалам, способным поддерживать скирмионы.
Список литературы
1. Bogdanov A.N., R¨ossler U.K. Chiral Symmetry Breaking in Magnetic Thin Films and Multilayers. Phys. Rev. Lett., 2001, 87, P. 037203.
2. 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.
3. Fert A., Cros V., Sampaio J. Skyrmions on the track. Nat. Nanotechnol., 2013, 8, P. 152–156.
4. Woo S., Litzius K., Kr¨uger B., Im M.-Y., Caretta L., Richter K., Mann M., Krone A., Reeve R. M., Weigand M., Agrawal P., Lemesh I., Mawass M.-A., Fischer P., Kl¨aui M., Beach G. S. D. Observation of room-temperature magnetic skyrmions and their current-driven dynamics in ultrathin metallic ferromagnets. Nat. Mater., 2016, 15, P. 501.
5. 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: Condensed Matter, 2018, 549, P. 6–9.
6. 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.
7. 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.
8. Stosic D., Ludermir B.T., Miloˇsevi´c V.M. Pinning of magnetic skyrmions in a monolayer Co film on Pt(111): Theoretical characterization and exemplified utilization. Phys. Rev. B, 2017, 96(21), P. 214403.
9. Fernandes I.L., Bouaziz J., Bl¨ugel S., Lounis S. Universality of defect-skyrmion interaction profiles. Nat. Commun., 2018, 9(1), P. 4395.
10. Castell-Queralt J., Gonz´alez-G´omez L., Del-Valle N., Sanchez A., Navau C. Accelerating, guiding, and compressing skyrmions by defect rails. Nanoscale, 2019, 11(26), P. 12589–12594.
11. Suess D., Vogler C., Bruckner F., Heistracher P., Slanovc F., Abert C. Spin torque efficiency and analytic error rate estimates of skyrmion. Sci. Rep., 2019, 9, P. 4827.
12. Morshed M.G., Vakili H., Ghosh A.W. Positional stability of skyrmions in a racetrack memory with notched geometry. Phys. Rev. Applied, 2022, 17, P. 064019.
13. Belrhazi H., El Hafidi M. Nucleation and manipulation of single skyrmions using spin-polarized currents in antiferromagnetic skyrmion-based racetrack memories. Sci. Rep., 2022, 12, P. 15225.
14. Hanneken C., Kubetzka A., von Bergmann K., Wiesendanger R. Pinning and movement of individual nanoscale magnetic skyrmions via defects. New J. Phys., 2016, 18(5), P. 055009.
15. Li W., Wang X., Dai Y., Bian Y., Huang Q., Zhang X., Su L., Zhang B., Tang D., Yang Y. Voltage-controlled skyrmion deletion device based on magnetic defects. J. Phys. D: Appl. Phys., 2021, 54, P. 445001.
16. Potkina M.N., Lobanov I.S., Uzdin V.M. Fine energy structure of a magnetic skyrmion localized on a nonmagnetic impurity in an external magnetic field. Physics of Complex Systems, 2020, 1(4), P. 165–168.
17. Choi H.C., Lin S.Z., Zhu J.X. Density functional theory study of skyrmion pinning by atomic defects in MnSi. Phys. Rev. B, 2016, 93, P. 115112.
18. Arjana I.G., Fernandes I.L., Chico J., Lounis S. Sub-nanoscale atom-by-atom crafting of skyrmion-defect interaction profiles. Sci. Rep., 2020, 10, P. 14655.
19. Iwasaki J., Mochizuki M., Nagaosa N. Universal current-velocity relation of skyrmion motion in chiral magnets. Nat. Commun., 2013, 4(1), P. 1463.
20. Koshibae W., Nagaosa N. Theory of current-driven skyrmions in disordered magnets. Sci. Rep., 2018, 8(1), P. 6328.
21. Toscano D., Leonel S.A., Coura P.Z., Sato F. Building traps for skyrmions by the incorporation of magnetic defects into nanomagnets: Pinning and scattering traps by magnetic properties engineering. J. Magn. Magn. Mater., 2019, 480, P. 171.
22. Everschor-Sitte K., Sitte M., Valet T., Abanov A., Sinova J. Skyrmion production on demand by homogeneous DC currents. New J. Phys., 2017, 19, P. 092001.
23. Mulkers J., Waeyenberge B.V., Miloˇsevi´c M.V. Effects of spatially engineered Dzyaloshinskii-Moriya interaction in ferromagnetic films. Phys. Rev. B, 2017, 95, P. 144401.
24. Derras-Chouk A., Chudnovsky E.M. Skyrmions near defects. J. Phys.: Condens. Matter, 2021, 33, P. 195802.
25. M¨uller J., Rosch A. Capturing of a magnetic skyrmion with a hole. Phys. Rev. B, 2015, 91(5), P. 054410.
26. Liu Y.H., Li Y.Q. A mechanism to pin skyrmions in chiral magnets. J. Phys.: Condens. Matter, 2013, 25, P. 076005.
27. Martinez J.C., Jalil M.B.A. Topological dynamics and current-induced motion in a skyrmion lattice. New J. Phys., 2016, 18, P. 033008.
28. Navau C., Del-Valle N., Sanchez A. Interaction of isolated skyrmions with point and linear defects. J. Magn. Magn. Mater., 2018, 465, P. 709.
29. Lin S.Z., Reichhardt C., Batista C.D., Saxena A. Particle model for skyrmions in metallic chiral magnets: Dynamics, pinning, and creep. Phys. Rev. B, 2013, 87, P. 214419.
30. Gonz´alez-G´omez L., Castell-Queralt J., Del-Valle N., Sanchez A., Navau C. Analytical modeling of the interaction between skyrmions and extended defects. Phys. Rev. B, 2019, 100, P. 054440.
31. Hagemeister J., Romming N., von Bergmann K., Vedmedenko E.Y., Wiesendanger R. Stability of single skyrmionic bits. Nat. Commun., 2015, 6(1), P. 8455.
32. 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.
33. Bessarab P.F., Uzdin V.M., J´onsson H. Harmonic transition-state theory of thermal spin transitions. Phys. Rev. B, 2012, 85(18), P. 184409.
34. Weinan E., Ren W., Vanden-Eijnden E. String method for the study of rare events. Phys. Rev. B, 2002, 66, P. 052301.
35. Lobanov I.S., Potkina M.N., J´onsson H., Uzdin V.M. Truncated minimum energy path method for finding first order saddle points. Nanosystems: Phys., Chem., Math., 2017, 8(5), P. 586–595.
36. Wang X.S., Yuan H.Y., Wang X.R. A theory on skyrmion size. Commun. Phys., 2018, 1, P. 31.
37. Potkina M.N., Lobanov I.S. Nucleation of magnetic skyrmions at a notch. Nanosystems: Phys., Chem., Math., 2024, 15(2), P. 192–200.
38. Wang W., Song D., Wei W., Nan P., Zhang S., Ge B., Tian M., Zang J., Du H. Electrical manipulation of skyrmions in a chiral magnet. Nat. Commun., 2022, 13, P. 1593.
39. Yu X. Z., Morikawa D., Nakajima K., Shibata K., Kanazawa N., Arima T., Nagaosa N., Tokura Y. Motion tracking of 80-nm-size skyrmions upon directional current injections. Sci. Adv., 2020, 6, P. eaaz9744.
40. Twitchett-Harrison A.C., Loudon J.C., Pepper R.A., Birch M.T., Fangohr H., Midgley P.A., Balakrishnan G., Hatton P.D. Confinement of skyrmions in nanoscale FeGe device-like structures. ACS Appl. Electron. Mater., 2022, 4(9), P. 4427–4437.
41. B¨uttner F., Lemesh I., Schneider M., Pfau B., G¨unther C.M., Hessing P., Geilhufe J., Caretta L., Engel D., Kr¨uger B., Viefhaus J., Eisebitt S., Beach G.S.D. Field-free deterministic ultrafast creation of magnetic skyrmions by spin-orbit torques. Nat. Nanotech., 2017, 12, P. 1040–1044.
Дополнительные файлы
Рецензия
Для цитирования:
Поткина М.Н., Лобанов И.С. Оптимальность линейного вакансионного дефекта для нуклеации скирмионов. Наносистемы: физика, химия, математика. 2025;16(3):317-324. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2025-16-3-317-324
For citation:
Potkina M.N., Lobanov I.S. Optimality of linear vacancy defect for skyrmion nucleation. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2025;16(3):317-324. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2025-16-3-317-324
Просмотров:
34
Послать статью по эл. почте 