Curvature-induced effects on the skyrmions motion along bent nanotubes

Abstract

Traditional storage devices, such as hard disk drives and solid-state drives, face inherent limitations in speed, durability, and energy efficiency. In this context, magnetic skyrmions—topologically stable spin textures that can be manipulated with low energy—have emerged as promising candidates for next-generation memory technologies, such as racetrack memories. However, in planar geometries, the skyrmion Hall effect (SkHE) induces a transverse motion that can drive skyrmions toward device edges, compromising their stability and controllability. In this work, we propose racetrack memories based on bent magnetic nanotubes as an effective strategy to suppress the SkHE through geometric engineering. To this end, we develop a generalized theoretical framework based on an extended Thiele equation that describes current-driven skyrmion dynamics on arbitrarily curved surfaces, incorporating Zhang–Li spin-transfer torque contributions. Our results reveal that, within a certain current regime, the interplay between curvature and current gives rise to an additional curvature-induced contribution that enables the suppression of the SkHE over a broad range of damping and non-adiabaticity parameters. In a different current regime, curvature strongly modifies the skyrmion trajectory, leading to nonlinear dynamical behavior absent in planar systems. These findings establish curvature as a powerful control parameter for tailoring skyrmion transport beyond what is achievable in planar geometries. The proposed approach provides a robust pathway for designing skyrmion-based spintronic devices with enhanced stability and controllability, paving the way toward high-density, energy-efficient magnetic memory and logic technologies. Keywords: nanomagnetism; curvilinear magnetism; magnetic nanotubes; skyrmions

Dispositivos de armazenamento tradicionais, como discos rígidos e unidades de estado sólido, enfrentam limitações relacionadas à velocidade, durabilidade e eficiência energética. Nesse contexto, os skyrmions magnéticos, que são texturas de spin estáveis controláveis com baixa energia, surgiram como candidatos promissores para tecnologias de memória de próxima geração, como a memória racetrack. Contudo, o Efeito Hall do skyrmion faz com que eles se movam lateralmente, correndo o risco de serem aniquilados nas bordas do dispositivo. Isso limita sua estabilidade e controlabilidade em dispositivos planos. Neste trabalho, propomos memórias racetrack baseadas em nanotubos magnéticos curvos como uma estratégia eficaz para suprimir o SkHE por meio de engenharia geométrica. Para isso, desenvolvemos um arcabouço teórico generalizado baseado em uma equação de Thiele estendida, que descreve a dinâmica de skyrmions acionados por corrente em superfícies arbitrariamente curvas, incorporando as contribuições do torque de transferência de spin de Zhang–Li. Nossos resultados revelam que, em um determinado regime de corrente, a interação entre curvatura e corrente dá origem a uma contribuição adicional induzida pela curvatura, permitindo a supressão do SkHE em uma ampla faixa de parâmetros de amortecimento e não adiabaticidade. Em um regime de corrente distinto, a curvatura modifica fortemente a trajetória do skyrmion, levando a um comportamento dinâmico não linear ausente em sistemas planares. Esses resultados estabelecem a curvatura como um poderoso parâmetro de controle para ajustar o transporte de skyrmions além do que é possível em geometrias planares. A abordagem proposta fornece um caminho robusto para o projeto de dispositivos spintrônicos baseados em skyrmions com maior estabilidade e controlabilidade, abrindo caminho para o desenvolvimento de tecnologias de memória e lógica magnéticas de alta densidade e baixo consumo de energia. Palavras-chave: nanomagnetismo; magnetismo curvilíneo; nanotubos magnéticos; skyrmions