Topological mass of magnetic Skyrmions probed by ultrafast dynamic imaging

Abstract

In dieser Arbeit untersuchen wir mittels zeitaufgelöster Abbildungen die Gigahertz-Dynamik von magnetischen Skyrmionen, um die Bewegungsgleichungen für diese Quasiteilchen zu bestimmen. Um dieses Ziel zu erreichen haben wir zunächst ein CoB/Pt Schichtsystem entwickelt, das starke senkrechte magnetische Anisotropie mit einer besonders geringen Rauigkeit der Energielandschaft verbindet. Diese Eigenschaften sind für das repetitive dynamische Abbildungsverfahren unerlässlich. In einem zweiten Schritt haben wir das Probendesign optimiert und so weiterentwickelt, dass eine Beobachtung der Skyrmionenbewegung mit einer Auflösung von besser als 3 nm möglich wurde. Aufgrund dieser Verbesserungen ist es uns gelungen, die Trajektorie eines Skyrmionen aufzuzeichnen. Diese Bewegung ist eine Superposition von zwei Drehbewegungen, einer im Uhrzeigersinn und einer gegen läufigen. Aus der Existenz dieser zwei Moden lässt sich schließen, dass Skyrmionen träge Quasiteilchen sind, und aus den Frequenzen können wir einen Wert für die träge Masse ableiten. Es stellt sich heraus, dass die Masse von Skyrmion fünfmal größer ist als von existierenden Theorien vorhergesagt. Die Masse wird folglich durch einen neuartigen Mechanismus bestimmt, der sich aus der räumlichen Beschränkung der Skyrmionen ergibt, welche sich direkt aus der Topologie bleitenrnlässt.

In this thesis, we investigate the GHz dynamics of skyrmionic spin structures byrnmeans of pump-probe dynamic imaging to determine the equation of motion thatrngoverns the behavior of these technologically relevant spin structures. To achieve this goal, we first designed and optimized a perpendicular magnetic anisotropy CoB/Pt multilayer material for low magnetic pinning, as required for ultrafast pump-probe imaging experiments. Second, we developed an integrated sample design for x-ray holography capable of tracking relative magnetic positional changes down to 3 nm spatial resolution. These advances enabled us to image the trajectory of a single magnetic Skyrmion. We find that the motion is comprised of two gyrotropic modes, one clockwise and one counterclockwise. The existence of two modes shows that Skyrmions are massive quasiparticles. From their derived frequencies we find an inertial mass for the Skyrmion which is a factor of five larger than expected based on existing models for inertia in magnetism. Our results demonstrate that the mass of Skyrmions is based on a novel mechanism emerging from their confined nature, which is a direct consequence of their topology.