Skyrmion dynamics in antiferromagnets
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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.