Ordering in multistable magnetic nanostructures
Dagsetning
Höfundar
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Útgefandi
University of Iceland, School of Engineering and Natural Sciences, Faculty of Physical Sciences
Útdráttur
Magnetic nanosystems hosting co-existing localized magnetic textures beyond skyrmions are of great interest for fundamental science and technological applications, but their characterization is challenging due to the complexity of the energy surface. This energy surface is uniquely determined by the underlying interactions between magnetic moments and can exhibit numerous local minima associated with metastable states. Within harmonic transition state theory or Kramers/Langer theory, the identification of first-order saddle points on this surface is essential for calculating transition rates between metastable states and thus for quantitative assessment of the thermal stability of localized magnetic structures. In this work, a theoretical framework is developed and implemented that enables the systematic identification of first-order saddle points on the energy surface of magnetic systems. In contrast to methods based on finding minimum energy paths, the developed approach does not require prior knowledge of the final state of the transitions. The approach does not rely on phenomenological models and subjective assumptions, thereby opens the door for highly predictive simulations of long time-scale thermal dynamics of multistable magnetic systems and systematic sampling of the energy surface based on recursive traversing between energy minima via saddle points. The methodology is applied to various systems capable of hosting a large diversity of localized magnetic textures including two- and three-dimensional chiral magnets and transition-metal ultrathin film and multilayer systems. In particular, a hierarchy of transition mechanism universal for various topological textures in two-dimensional chiral magnets is discovered and the interplay between the topology of a texture and its thermodynamically accessible collapse paths is investigated. Furthermore, it is demonstrated that long-range dipole-dipole interactions lead to a vastly increasing complexity of transition mechanisms of three-dimensional textures such as chiral bobbers, skyrmion tubes, and globules. In ultrathin transition metal systems, prototypical for applications, the method reveals that higher-order exchange interactions can strongly enhance the lifetime of skyrmions and antiskyrmions. Together with the presented applications, the developed methodology constitutes an important advancement for the theoretical prediction of the long time-scale magnetization dynamics and characterization of the energy surface of complex, technologically relevant magnetic systems
Nanóskala segulkerfi sem hýst geta ýmis staðbundin segulmynstur samtímis, t.a.m. skyrmeindir og enn flóknari mynstur, eru áhugaverð fyrir grunnvísindi sem og tækninýjungar, en greining á slíkum kerfym er krefjandi vegna þess hve orkuyfirborð þeirra er flókið. Víxverkuninni milli segulvigranna ákvarðar lögun orkuyfirborðsins og þar geta komið fram fjöldi staðbundinna lágmarka sem samsvara hálfstöðugum ástöndum. Innan kjörsveifilsnálgunar virkjunarástandskenningarinnar sem og Kramers/Langer kenningunni er lykilatriðið að finna fyrsta stigs söðulpunkta til að meta gang og hraða umbreytinga milli ástanda og þar með meta stöðugleika staðbundinna segulmynstra við tiltekið hitastig. Í þessu verkefni er þróuð og innleidd umgjörð til að gera það kleift að finna fyrsta stigs söðulpunkta á orkuyfirborði segulkerfa á kefisbundinn hátt. Ólíkt aðferðum til að finna lágmarksorkuferla, þarf aðferðin sem þróuð er hér ekki upplýsingar um lokaástand umbreytinganna. Aðferðafræðin byggist ekki á fyrirbærafræðilegum líkönum og nálgunum og opnar því möguleikann á því að framkvæma reikninga sem geta spáð fyrir um varmadrifnar umbreytingar á löngum tímaskala í segulklerfum þar sem mörg ástönd eru til staðar. Kerfisbundin greining á orkuyfirborðinu er fengin með því að staðsetja orkulágmörk og tengja þau með leiðum í gegnum fyrsta stigs söðulpunkta. Aðferðinni er beitt á ýmis kerfi sem geta verið í margs konar ástöndum sem samsvara staðbundnum segulmynsttrum, þar með tví- og þrívíð hendin segulkerfi og örþunnar húðir hliðarmálma sem og marglaga kerfi. Til að mynda er fundin stigskipting á hvarfgangi sem á við um margskonar grannfræðileg mynstur sem og ráðandi gangur fyrir eyðingu þeirra. Enn fremur er sýnt fram á að langdræg tvískautsvíxverkun leiðir til mun flóknari hvarfgangs í þrívíðum kerfum, þar með hendnum bobbum, skyrmeindastrengjum og kúlulaga mynstrum. Í örþunnum húðum hliðarmálma, sem eru oft notuð, sýna reikningarnir að hærri gráðu víxlverkun getur aukið líftíma skyrmeinda og andskyrmeinda. Þessi dæmi um notkun aðferðarinnar sýna að hún markar mikilvægt skref í kennilegum spám um langtíma framvindu segulkerfa og greiningu á orkuyfirborði flókinna kerfa sem nýst geta í nýrri tækni.
Nanóskala segulkerfi sem hýst geta ýmis staðbundin segulmynstur samtímis, t.a.m. skyrmeindir og enn flóknari mynstur, eru áhugaverð fyrir grunnvísindi sem og tækninýjungar, en greining á slíkum kerfym er krefjandi vegna þess hve orkuyfirborð þeirra er flókið. Víxverkuninni milli segulvigranna ákvarðar lögun orkuyfirborðsins og þar geta komið fram fjöldi staðbundinna lágmarka sem samsvara hálfstöðugum ástöndum. Innan kjörsveifilsnálgunar virkjunarástandskenningarinnar sem og Kramers/Langer kenningunni er lykilatriðið að finna fyrsta stigs söðulpunkta til að meta gang og hraða umbreytinga milli ástanda og þar með meta stöðugleika staðbundinna segulmynstra við tiltekið hitastig. Í þessu verkefni er þróuð og innleidd umgjörð til að gera það kleift að finna fyrsta stigs söðulpunkta á orkuyfirborði segulkerfa á kefisbundinn hátt. Ólíkt aðferðum til að finna lágmarksorkuferla, þarf aðferðin sem þróuð er hér ekki upplýsingar um lokaástand umbreytinganna. Aðferðafræðin byggist ekki á fyrirbærafræðilegum líkönum og nálgunum og opnar því möguleikann á því að framkvæma reikninga sem geta spáð fyrir um varmadrifnar umbreytingar á löngum tímaskala í segulklerfum þar sem mörg ástönd eru til staðar. Kerfisbundin greining á orkuyfirborðinu er fengin með því að staðsetja orkulágmörk og tengja þau með leiðum í gegnum fyrsta stigs söðulpunkta. Aðferðinni er beitt á ýmis kerfi sem geta verið í margs konar ástöndum sem samsvara staðbundnum segulmynsttrum, þar með tví- og þrívíð hendin segulkerfi og örþunnar húðir hliðarmálma sem og marglaga kerfi. Til að mynda er fundin stigskipting á hvarfgangi sem á við um margskonar grannfræðileg mynstur sem og ráðandi gangur fyrir eyðingu þeirra. Enn fremur er sýnt fram á að langdræg tvískautsvíxverkun leiðir til mun flóknari hvarfgangs í þrívíðum kerfum, þar með hendnum bobbum, skyrmeindastrengjum og kúlulaga mynstrum. Í örþunnum húðum hliðarmálma, sem eru oft notuð, sýna reikningarnir að hærri gráðu víxlverkun getur aukið líftíma skyrmeinda og andskyrmeinda. Þessi dæmi um notkun aðferðarinnar sýna að hún markar mikilvægt skref í kennilegum spám um langtíma framvindu segulkerfa og greiningu á orkuyfirborði flókinna kerfa sem nýst geta í nýrri tækni.
Lýsing
Efnisorð
Eðlisfræði, Segulkerfi, Magnetic nanosystems, Magnetic nanosystems, Physics