Facilitating electrical and laser-induced skyrmion nucleation with a dipolar-field enhanced effective DMI

Resumen Técnico: Facilitación de la Nucleación de Skyrmions Eléctrica y Mediante Láser con una DMI Efectiva Mejorada por Campo Dipolar

Planteamiento del Problema
La estabilidad y el control de las texturas magnéticas quirales, como los skyrmions, dependen en gran medida de la interacción Dzyaloshinskii-Moriya (DMI). En multicapas magnéticas, la DMI interfacial estabiliza las paredes de dominio de tipo Néel y los skyrmions, asegurando una quiralidad uniforme y permitiendo el movimiento impulsado por corriente. Sin embargo, en multicapas con un espesor y un momento magnético significativos, las interacciones dipolares de largo alcance pueden competir con la DMI. Específicamente, el campo dipolar generado por la magnetización fuera del plano en los dominios puede crear un campo en el plano dentro de las paredes de dominio que se opone a la DMI en ciertas capas, lo que potencialmente conduce a paredes heteroquirales y una reducción de la estabilidad. Si bien este efecto dipolar suele verse como perjudicial para el movimiento impulsado por corriente, también es esencial para el tamaño reducido y la alta estabilidad de los skyrmions. El desafío radica en aislar el efecto de la DMI efectiva sobre la nucleación de skyrmions sin alterar simultáneamente otros parámetros magnéticos (como la magnetización de saturación o la anisotropía), lo cual ocurre típicamente al modificar el espesor de la capa o la composición.

Metodología
Los autores fabricaron cuatro pilas de multicapas magnéticas distintas basadas en Ir/Co/Pt para variar sistemáticamente la DMI efectiva manteniendo idénticos la magnetización de saturación promedio ($M_s$) y la anisotropía uniaxial ($K_u$). Los bloques de construcción fueron dos trilas de tipo: $[Pt(1) | Co(1) | Ir(1)]$ (DMI intrínseca positiva) y $[Ir(1) | Co(1) | Pt(1)]$ (DMI intrínseca negativa).

1. Pilas Uniforme+ y Uniforme-: Contenían seis repeticiones de un único tipo de trila, resultando en signos de DMI intrínseca uniformes en toda la pila.
2. Pila Mejorada (Enhanced): Compuesta por tres repeticiones de la trila de DMI positiva seguidas de tres repeticiones de la trila de DMI negativa. Esta configuración alinea el campo de la DMI efectiva en paralelo con el campo dipolar en todas las capas, teóricamente mejorando la DMI efectiva.
3. Pila Reducida (Reduced): Compuesta por tres repeticiones de la trila de DMI negativa seguidas de tres repeticiones de la trila de DMI positiva. Esta configuración alinea el campo de la DMI efectiva de forma antiparalela con el campo dipolar, teóricamente reduciendo la DMI efectiva.

Las muestras fueron caracterizadas mediante SQUID-VSM para parámetros magnéticos y Microscopía de Fuerza Magnética (MFM) para medir los anchos de dominio en equilibrio y determinar la fuerza de la DMI efectiva ($|D_{eff}|$) utilizando un modelo de Lemesh et al. La nucleación de skyrmions se indujo mediante dos métodos:

• Impulsada por corriente: Utilizando pulsos de corriente de 50 ns en líneas de corriente estrechas.
• Inducida por láser: Utilizando pulsos láser únicos de 70 fs.
  En ambos casos, la nucleación se realizó bajo un campo de sesgo aplicado fuera del plano, y se analizó la densidad y estabilidad de los skyrmions resultantes.

Resultos Clave

• Modulación de la DMI Efectiva: La caracterización confirmó que las pilas Mejorada y Reducida poseían valores de $M_s$ y $K_u$ casi idénticos (promedios de las dos pilas uniformes). Sin embargo, la DMI efectiva difirió significativamente. La pila Mejorada exhibió una DMI efectiva aproximadamente 2.5 veces mayor que la pila Reducida. Específicamente, la pila Mejorada mostró un aumento de $(0.34 \pm 0.08) \text{ mJ m}^{-2}$ sobre el promedio, mientras que la pila Reducida mostró una disminución de $(0.6 \pm 0.1) \text{ mJ m}^{-2}$. Estos valores experimentales se alinearon bien con las simulaciones de MuMax3 y los modelos analíticos que predicen contribuciones dipolares.
• Densidad de Nucleación de Skyrmions: El hallazgo más significativo fue el impacto en la densidad de nucleación. En la pila Mejorada, la densidad de nucleación de skyrmions fue hasta un factor de $\sim 20$ mayor que en la pila Reducida para la nucleación impulsada por corriente, y 4 veces mayor para la nucleación inducida por láser en saturación.
• Umbrales: Sorprendentemente, la densidad de corriente umbral ($J_c$) y la fluencia umbral ($F_c$) requeridas para iniciar la nucleación fueron casi idénticas para ambos tipos de pila. Esto sugiere que la DMI efectiva influye principalmente en la estabilidad y supervivencia de los skyrmions nucleados más que en la barrera de energía inicial para la nucleación.
• Estabilidad: Los skyrmions en la pila Mejorada permanecieron estables en campos magnéticos más fuertes en comparación con la pila Reducida, lo que indica además una mejor estabilidad debido a la DMI efectiva mejorada.
• Dinámica: Mediciones preliminares indicaron que el torque de espín-órbita (SOT) aún podía impulsar el movimiento de paredes de dominio y skyrmions en la pila Mejorada, a pesar del orden de apilamiento invertido en la mitad del dispositivo, ya que el cambio de signo en el SOT y la quiralidad se compensaron entre sí.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma demostrar experimentalmente que la nucleación de skyrmions depende fuertemente de la magnitud de la DMI efectiva en una multicapa magnética. Al utilizar la interacción dipolar interna en combinación con un orden de apilamiento específico dependiente de la capa, los autores lograron controlar con éxito la DMI efectiva sin alterar otros parámetros del material.

Los autores afirman que este enfoque proporciona una ruta efectiva para facilitar la nucleación y estabilidad de texturas magnéticas quirales. Destacan que sus resultados ofrecen la primera visión de la dependencia de la nucleación de skyrmions inducida por láser en las interacciones dipolares internas en multicapas magnéticas. El trabajo sugiere que la ingeniería del orden de apilamiento para alinear los campos dipolares con la DMI es una estrategia viable para optimizar los dispositivos basados en skyrmions, particularmente para mejorar la densidad y estabilidad de los skyrmions nucleados, aun cuando los umbrales de nucleación mismos permanecen mayormente inafectados por esta modificación específica.