Authors:	Velkov, Hristo
Title:	Skyrmion dynamics in antiferromagnets
Online publication date:	1-Jun-2018
Year of first publication:	2018
Language:	english
Abstract:	Die Forschungsfelder der magnetischen Skyrmionen und Antiferromagneten haben in den letzen Jahren, unabhängig voneinander, wesentliche Fortschritte erzielt. Skyrmionen sind kleine teilchenartige Objekte, die effizient mit elektrischen Strömen bewegt und dicht aneinander gepackt werden können, und Potential für neuartige Datenspeichergeräte, sowie Logikbausteine aufweisen. Antiferromagneten, magnetisch geordnete Materialien mit kompensierter Gesamtmagnetisierung, besitzen mehrere Vorteile gegenüber Ferromagneten, welche weit verbreitet in der Spintronik sind, wie z.B., schnellere Magnetisierungsdynamik, Unempfindlichkeit gegenüber externen magnetischen Störungen und überfluss in der Natur. In dieser Arbeit untersuchen wir die dynamischen Eigenschaften von Skyrmionen in Antiferromagneten mit zwei kollinearen Untergittern. Als erstes erweitern wir die phänomenologische Theorie, die die Wechselwirkung zwischen elektrischen Strömen und antiferromagnetischen Momente beschreibt, um Drehmomente die durch Spin-Bahn-Wechselwirkungseffekte induziert werden zu berücksichtigen (die so-genannten "spin-orbit torques"), und leiten eine Bewegungsgleichung für das antiferromagnetische Skyrmion her. Unsere analytischen Ergebnisse stimmen mit den ersten veröffentlichen numerischen Simulationen überein. Als nächstes analysieren wir die intrinsische Dynamik von antiferromagnetischen Skyrmionen, die in dünnen Nanoscheiben eingesperrt sind. Wir entwickeln einen mikromagnetischen Code, der auf die Finite-Elemente-Methode basiert und sowohl Ferromagneten, als auch Antiferromagneten simulieren kann. Der Code beschreibt Proben mit gekrümmter Geometrie genau, findet den nächstliegenden Gleichgewichtszustand von dem vorgegebenen Modell und berechnet die intrinsischen Eigenmoden eines Gleichgewichtszustands. Wir finden skyrmionische Grundzustände ohne externe Magnetfelder, in übereinstimmung mit theoretischen Voraussagen. Wir beobachten die gleiche Art von Anregungen in ferromagnetischen und antiferromagnetischen Skyrmionen: gyrotropische, "atmende" und deformierte Moden und diskutieren ihre Unterschiede. Theoretische Studien haben bereits die Existenz und Stabilität von antiferromagnetischen Skyrmionen prognostiziert; dennoch hat es bisher keine experimentelle Beobachtungen gegeben. Das Spektrum des eingesperrten antiferromagnetischen Skyrmion weist charakteristische Merkmale auf, die es von dem uniform-magnetisierten Zustand unterscheiden, und könnte wichtige Hinweise in der experimentellen Suche nach den antiferromagnetischen Skyrmion liefern. Research in the fields of magnetic skyrmions and antiferromagnets, independently from each other, has been gaining momentum in recent years. Skyrmions are small particle-like objects that can be moved efficiently with electric currents and packed densely together, and hold potential as candidates for novel information storage and logic devices. Antiferromagnets, magnetically ordered materials with compensating magnetization, possess a number of advantages over the widely used in the field of spintronics ferromagnets, such as faster magnetization dynamics, robustness to external magnetic perturbations and abundance in nature. In this work, we investigate the dynamics of skyrmions in collinear two-sublattice antiferromagnets. First, we extend the phenomenological theory that describes the coupling of antiferromagnetic moments with electric currents to incorporate spin-orbit torques, and derive an equation of motion for the skyrmion within the collective-coordinate approach. Our analytical results are consistent with initial numerical simulations reported recently. Next, we study the intrinsic dynamics of antiferromagnetic skyrmions confined in thin nanodisks. We develop a finite-element micromagnetic code that is able to simulate both ferromagnets and antiferromagnets. The code describes well curved geometries, finds the nearest equilibrium state of a given model and calculates the intrinsic eigenmodes of a specified equilibrium state. We find skyrmion groundstates at zero external field in both ferromagnets and antiferromagnets, consistent with theoretical predictions. Further, we observe the same types of excitations of both ferromagnetic and antiferromagnetic skyrmions -- gyrotropic, breathing and deformed-code modes -- and discuss their differences. Theoretical studies have already predicted the existence and stability of antiferromagnetic skyrmions; however, there has not been an experimental observation yet. The spectrum of the confined antiferromagnetic skyrmion shows characteristic features that distinguish it from the spectrum of the uniformly magnetized state, which could provide important clues in the experimental pursuit of the antiferromagnetic skyrmion.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4428
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000020138
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	181 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen