1. Введение 3
2. Магнитные скирмионы как элементы памяти нового поколения 4
3. Проблема оценки топологической устойчивости магнитных скирмионов 5
4. Геодезический метод подталкивания упругой лентой 7
5. Активационные барьеры для рождения и аннигиляции скирмионов в ограниченном образце 9
6. Устойчивость магнитных скирмионов, локализованных на дефектах 15
7. Заключение 23
Список литературы 24
Магнитные скирмионы, представляющие собой локализованные спиновые структуры с топологическим зарядом, благодаря малым размерам и высокой подвижности являются одними из наиболее перспективных систем для создания сверхплотной и сверхбыстрой магнитной памяти. Для их использования в качестве элементов памяти важна информация об устойчивости скирмионных состояний, особенно в случае, когда собственные размеры скирмионов сравнимы с характерными расстояниями между ними или размером области их локализации [1,2,3]. Большую роль играет и взаимодействие скирмионов с дефектами структуры и примесями, которые невозможно исключить на наномасштабе. Вместе с тем искусственно введенные дефекты могут использоваться для управления динамическими свойствами скирмионов в устройствах магнитной памяти.
Устойчивость скирмионных состояний в условиях пространственного ограничения размерами образца и в присутствии немагнитных дефектов в настоящей работе исследуется в рамках теории переходного состояния для магнитных степеней свободы [4,5]. Энергетическая поверхность системы строится на основе гамильтониана гейзенберговского типа, включающего обменное взаимодействие между ближайшими соседями, энергию анизотропии, взаимодействие Дзялошинского-Мория и зеемановскую энергию взаимодействия со внешним полем.
Расчеты проводятся на двумерной треугольной решетке. Вдоль одного из направлений используются периодические граничные условия, вдоль другого предполагается наличие свободных границ. Таким образом, можно изучать устойчивость скирмионных состояний на «дорожке», представляющей собой полоску конечной ширины в зависимости от соотношения собственного размера скирмиона и ширины дорожки.
На многомерной энергетической поверхности, рассматриваемой как функция углов, задающих направление всех магнитных моментов, составляющих систему, определяются локальные минимумы, отвечающие скирмионному и однородному ферромагнитному состояниям и, «геодезическим методом подталкивания упругой лентой» [5] строится путь с минимальным перепадом энергии между ними. Максимум вдоль пути определяет седловую точку первого порядка на энергетической поверхности и активационные барьеры между состояниями. Сам путь с минимальным перепадом энергии, обладая максимальным статистическим весом по отношению к близким к нему путям, задает наиболее вероятный сценарий аннигиляции скирмионного состояния [4].
Для количественного исследования устойчивости магнитных состояний скирмионов была использована теория переходного состояния для магнитных степеней свободы. На многомерной энергетической поверхности системы находились ПМПЭ, максимумы вдоль которых определяли активационные барьеры для соответствующих переходов: аннигиляция и нуклеация скирмионов на треке конечной ширины, локализация и отрыв скирмиона от примеси, проход скирмиона через сужение на треке и др.
Для системы Pd/Fe/Ir(111), в которой экспериментально наблюдались скирмионы [15,11,12], было получено, что активационные барьеры как для аннигиляции, так и для нуклеации скирмиона на границе образца меньше, чем в центре при всех значениях ширины дорожки. Таким образом, способ записи и удаления скирмионов на границе представляется более энергетически выгодным для приложений в будущих устройствах памяти на основе скирмионов.
Был исследован случай дорожки с сужением и найдены активационные барьеры, необходимые для прохода через узкое место. При этом для достаточно узких дорожек предсказан механизм прохода скирмиона, сопровождающийся превращением его в доменную стенку и обратно. Этот механизм может стать основой для работы логических элементов в будущем [18].
Исследован вопрос о влиянии немагнитных дефектов на устойчивость скирмионных состояний, а также совместное влияние дефектов и конечных размеров образца на их свойства. Получено объяснение наблюдаемой экспериментально локализации скирмионов на дефектах [21] и того факта, что под действием тока иглы туннельного микроскопа скирмионы рождаются, как правило, вблизи дефектов [12].
На основе эффекта локализации скирмионов на немагнитных дефектах предложена альтернативная идея реализации бегового трека в виде дорожки из дефектов. Исходя из найденных барьеров для передвижения, аннигиляции и ухода с трека, определено оптимальное расстояние между примесями.
Для скирмионного состояния, локализованного на примеси, при уменьшении магнитного поля было обнаружено появление второго локального энергетического минимума, соответствующего расположению примеси в центре скирмиона.
Результаты работы были представлены на международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород 12-17 марта, 2017 г. (устный доклад) [24], международном симпозиуме «Hysteresis modeling and micromagnetics», Барселона, 29-31 мая, 2017 (устный доклад) [25]. На международном симпозиуме MISM 2017, Москва, 1-5 июля доклад с результатами работы принят в качестве приглашенного.
