Authors:	Bharadwaj, Venkata Krishna
Advisor:	Everschor-Sitte, Karin
Title:	Magnetic skyrmions in in-plane magnets: stability, current-induced dynamics and excitations
Online publication date:	13-Nov-2023
Year of first publication:	2023
Language:	english
Abstract:	The invention of transistors and microchips has revolutionized information storage. Technological progress has led to the miniaturization of microelectronics, resulting in higher energy consumption and heat production, which presents difficulties for microprocessor manufacturers. Therefore, there is a need for new computing and information technology approaches. Spintronics, which utilizes both electron spin and charge, shows great promise in overcoming the limitations of semiconductor technology and enhancing data storage capabilities. It offers increased functionality to devices and addresses current data storage constraints. An encouraging prospect among these options is the use of domain walls in racetrack memory device, enabling efficient and speedy storage of data in a non-volatile manner. Nonetheless, they encounter challenges such as the pinning of domain walls at the edges and the need for a high current density to relocate them. Skyrmionics, a new protagonist in the field of spintronics, has recently gained significant attention. Magnetic skyrmions, nanoscale windings of the spin configuration in certain magnetic materials, exhibit nontrivial topology and have the potential to replace domain walls in racetrack memories. Room-temperature observations have fueled research into skyrmion-like quasiparticles, showing lower current-driven motion (compared to domain walls) mediated by both spin-transfer and spin-orbit torques. This offers potential for racetrack memory devices, where skyrmions encode the units of information. However, the topological nature of ferromagnetic skyrmions leads to the skyrmion Hall effect, which pushes them towards the racetrack's edge, thereby causing data loss. Efficient skyrmion-based spintronic memories require the suppression of the skyrmion Hall effect and, in turn, to explore other topological spin textures. Recent studies have indicated the presence of skyrmion analogues known as in-plane skyrmions or bimerons in chiral magnet thin films with in-plane anisotropy. This thesis focuses on investigating these in-plane skyrmions in thin-film in-plane magnets. A minimal in-plane micromagnetic model is considered to assess their stability, followed by analyzing the symmetries of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction and suggesting potential materials to host in-plane skyrmions. Furthermore, we investigate the stability of in-plane skyrmions in the monoclinic system with mirror symmetry. The thesis also explores two methods for generating in-plane skyrmions: creating magnetic bubbles through geometric constriction and releasing skyrmions from magnetic inhomogeneities. Additionally, a proof-of-concept for a racetrack utilizing in-plane skyrmions is presented. Lastly, the thesis examines the current-driven motion of in-plane skyrmions, highlighting the advantages they offer compared to Néel skyrmions through Thiele analysis and micromagnetic simulations. Die Erfindung von Transistoren und Mikrochips hat die Informationsspeicherung revolutioniert. Unser Leben ist mittlerweile mit der digitalen Welt verschmolzen. Jedoch hat der technologische Fortschritt zur Miniaturisierung der Mikroelektronik geführt, was einen höheren Energieverbrauch und eine höhere Wärmeentwicklung zur Folge hat. Dies stellt die Hersteller von Mikroprozessoren vor Schwierigkeiten. Daher ist man auf der Suche nach neuen Ansätzen in der Computer- und Informationstechnologie. Die Spintronik, bei der sowohl der Elektronenspin als auch die elektrische Ladung genutzt werden, ist ein vielversprechender Ansatz, um die Grenzen der Halbleitertechnologie zu überwinden und die Datenspeicherung zu verbessern. Sie bietet den Geräten eine höhere Funktionalität und adressiert die derzeitigen Beschränkungen bei der Datenspeicherung. Die Skyrmionik, ein Teilgebiet der Spintronik, hat in letzter Zeit große Aufmerksamkeit erlangt. Magnetische Skyrmionen, Windungen in der Spinkonfiguration bestimmter magnetischer Materialien im Nanometerbereich, weisen eine nicht-triviale Topologie auf und haben das Potenzial, die kleinsten magnetischen Texturen zu sein. Experimente, durchgeführt bei Raumtemperatur, haben die Erforschung skyrmionartiger Quasiteilchen vorangetrieben und gezeigt, dass sie sich im Vergleich zu Domänenwänden mit geringeren elektrischen Strömen bewegen, indem sie Spindreh- und Spinbahnmomente nutzen. Dies bietet die Möglichkeit, Informationen in Form von Skyrmionen als einsen und nullen zu kodieren. Die topologische Beschaffenheit der Skyrmionen führt jedoch zum Skyrmion-Hall-Effekt, der sie an den Rand der Leiterbahn drängt und zu Datenverlust führen kann. Ein effizienter spintronischer Speicher auf Skyrmionenbasis erfordert die Unterdrückung von Skyrmion-Hall-Effektes. Daher benötigt es die Erforschung alternativer topologischer Spinstrukturen. Jüngste Studien haben die Existenz von besonderen Skyrmion, die als in-plane-Skyrmionen (in der Ebene) oder Bimeronen bekannt sind, in chiralen Magnetdünnschichten mit in-plane-Anisotropie gezeigt. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchung dieser in-plane-Skyrmionen in Dünnschichtfilmen von in-plane-Magneten. Ein minimales in-plane mikromagnetisches Modell wird verwendet, um ihre Stabilität zu bewerten, gefolgt von einer Analyse der Symmetrien der Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung und Vorschlägen für potentielle Materialien, die in-plane-Skyrmionen beherbergen können. Darüber hinaus wird in der Studie die Stabilität von in-plane Skyrmionen im monoklinen System mit Spiegelsymmetrie untersucht. Des Weiteren werden in dieser Arbeit zwei Methoden zur Erzeugung von in-plane-Skyrmionen untersucht: die Erzeugung von magnetischen Blasen durch geometrische Einschnürung und die Freisetzung von Skyrmionen aus magnetischen Inhomogenitäten. Zusätzlich wird ein konzeptioneller Beweiß für eine Leiterbahn mit in-plane-Skyrmionen vorgestellt. Schließlich wird in dieser Arbeit die stromgetriebene Bewegung von Skyrmionen in der Ebene untersucht, wobei ihre Vorteile im Vergleich zu Néel-Skyrmionen durch Thiele-Analyse und mikromagnetische Simulationen hervorgehoben werden.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics 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-9660
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-ef6d9d10-5f8f-4bb2-945c-95aadb6a7fdb5
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	xii, 138 Seiten ; Illustrationen, Diagramme
Appears in collections:	JGU-Publikationen