Uma corrida de skyrmions em nanopistas ferromagnéticas

Abstract

O modelo de Heisenberg bidimensional apresenta soluções topológicas do tipo skyrmion. A forma destas estruturas é altamente afetada pelas condições de contorno. Os skyrmions usuais possuem um núcleo e carga topológica inteira Q. Porém, de acordo com uma condição de contorno específica, o skyrmion pode apresentar dois núcleos, sendo formado por duas estruturas chamadas meron e antimeron, cujas cargas individuais são dadas por 𝑄 𝑞 = . Quando colocadas para se moverem sob a ação de correntes spin-polarizadas, estas estruturas sofrem a ação da força de Magnus, que as impelem numa direção perpendicular à corrente de spin, fenômeno conhecido por efeito Hall de skyrmion. Ao se movem ao longo de uma nanofita magnética, os skyrmions serão destruídos ao atingirem a borda da nanopista. Neste trabalho, com o uso de simulações micromagnéticas, foi estudado o movimento de skyrmions estabilizadas em nanopistas ferromagnéticas. Analisamos diferentes tipos de estruturas de skyrmions, sendo elas, as estruturas residentes em materiais contendo a interação Dzyaloshinskii-Moriya (IDM-skyrmion), skyrmions contendo um núcleo (skyrmion do tipo I) e skyrmions contendo dois núcleos alinhados horizontalmente (h-bimeron) e verticalmente (v-bimeron). Foi comparado o movimento destes ao longo da pista de corrida, desconsiderando a interação skyrmion-borda, e feita uma análise em relação a sensibilidade de cada estrutura distinta à ação da força de Magnus. Foram utilizados modelos analíticos a fim de explicar os resultados obtidos através das simulações. Como resultado, pode-se concluir que pequenas deformações na forma da estrutura do tipo h-bimeron alteram consideravelmente a sua massa, desviando significativamente a sua trajetória em relação a trajetória das outras estruturas estudadas. Foi observado também que o IDM-skyrmion é a estrutura mais sensível ao efeito Hall de skyrmion comparada com as outras analisadas. Palavras-chave: Modelo de Heisenberg. Skyrmions. Bimeron. Efeito Hall de Skyrmion.The two-dimensional Heisenberg model presents skyrmion-type topological solutions. The shape of these structures is highly affected by the boundary conditions. The usual skyrmions have a nucleus and entire topological charge Q. However, according to a specific boundary condition, the skyrmion can have two nuclei, being formed by two structures called meron 𝑄 and antimeron, whose individual charges are given by 𝑞 = . When placed to move under the action of polarized spin currents, these structures suffer the action of the Magnus force, which propels them in a direction perpendicular to the spin current, a phenomenon known as the skyrmion Hall effect. As they move along a magnetic nanostrip, the skyrmions will be destroyed when they reach the edge of the nanostrip. In this work, using micromagnetic simulations, the movement of stabilized skyrmions in ferromagnetic nanotracks was studied. We analyzed different types of skyrmion structures, namely, structures residing in materials containing the Dzyaloshinskii-Moriya interaction (IDM-skyrmion), skyrmions containing one core (type I skyrmion) and skyrmions containing two horizontally aligned cores (h-bimeron) and vertically (v-bimeron). Their movement along the running track was compared, disregarding the skyrmion-edge interaction, and an analysis was made in relation to the sensitivity of each distinct structure to the action of Magnus force. Analytical models were used in order to explain the results obtained through the simulations. As a result, it can be concluded that small deformations in the shape of the h-bimeron type structure considerably alter its mass, significantly deviating its trajectory in relation to the trajectory of the other studied structures. It was also observed that the IDM-skyrmion is the most sensitive structure to the skyrmion Hall effect compared to the others analyzed. Keywords: Heisenberg Model. Skyrmions. Bimeron. Skyrmion Hall Effect.