Skyrmions in 2D chiral magnets with noncollinear ground states stabilized by higher-order interactions

Resumen Técnico: Skyrmions en Magnéticos Quirales 2D con Estados Base No Colineales Estabilizados por Interacciones de Orden Superior

Planteamiento del Problema
Los skyrmions magnéticos se estudian típicamente como texturas de espín topológicas sobre fondos ferromagnéticos (FM), antiferromagnéticos o ferrimagnéticos, estabilizados por la competencia entre el intercambio de Heisenberg, la interacción Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) y la anisotropía magnetocristalina (MAE). Si bien se han observado skyrmions en materiales voluminosos (bulk), interfaces de metales de transición y magnetos de van der Waals 2D, su existencia sobre estados base magnéticos no colineales permanece mayormente inexplorada. Específicamente, no está claro si pueden emerger skyrmions aislados metaestables sobre fondos no colineales estabizados por interacciones de intercambio de orden superior (HOI), particularmente en sistemas que contienen ferromagnetos prototípicos como el Cobalto (Co), donde el intercambio de pares fuerte usualmente domina.

Metodología
Los autores emplearon un enfoque multiescala combinando cálculos de primeros principios y simulaciones de espín atomístico:

1. Cálculos de Primeros Principios: Se utilizó la Teoría de la Funcional de la Densidad (DFT) para calcular los parámetros de interacción magnética para las bicapas atómicas de Rh/Co y Pd/Co sobre la superficie de Re(0001). Esto incluyó el intercambio de pares de Heisenberg ($J_{ij}$), los vectores de DMI ($D_{ij}$), la MAE ($K$) y las interacciones de orden superior: términos bicuadráticos ($B_1$), de tres sitios y cuatro espines ($Y_1$), y de cuatro sitios y cuatro espines ($K_1$). Estos términos de HOI fueron derivados de la teoría de perturbación de cuarto orden del modelo de Hubbard.
2. Simulaciones de Espín Atomístico: Se utilizó un hamiltoniano de espín extendido que incorpora todas las interacciones calculadas para relajar diversas configuraciones de espín (espirales de espín homogéneas, redes de skyrmions y estados FM) a campo cero y campo finito. La dinámica de Landau-Lifshitz se combinó con la optimización de proyección de velocidad (VPO) para encontrar los mínimos de energía.
3. Análisis de Estabilidad: Se utilizó el método de banda elástica nudged de tipo geodésico (GNEB) para calcular la trayectoria de mínima energía (MEP) entre skyrmions aislados y el estado fundamental, determinando las barreras de energía de aniquilación y creación.
4. Simulación Experimental: Se simularon imágenes de microscopía de efecto túnel de espín polarizado (SP-STM) para predecir las firmas experimentales de las estructuras de espín propuestas.

Contribuciones Clave y Resultados

• Estabilización de Estados Base No Colineales: El estudio demuestra que en las bicapas de Rh/Co/Re(0001) y Pd/Co/Re(0001), el estado base FM estándar es desestabilizado por las interacciones de intercambio de orden superior. En su lugar, emerge un estado base no colineal (nc-GS).
  • Para Rh/Co/Re(0001), el nc-GS se convierte en el estado base a un campo magnético crítico de ~1.7 T.
  • Para Pd/Co/Re(0001), el nc-GS es el estado base incluso a campo cero.
  • Este nc-GS se caracteriza por una celda unidad magnética que contiene tres espines, donde dos se alinean cerca de la dirección fuera del plano y el tercero se inclina hacia la dirección en el plano. Este es estabilizado por el signo negativo y la magnitud específica de las interacciones de tres sitios y de cuatro sitios y cuatro espines, que compensan el costo energético de desviarse del estado FM.
• Emergencia de Skyrmions No Convencionales: Sobre este fondo no colineal, los autores predicen la existencia de:
  • Redes de Skyrmions No Colineales (nc-SkX): Redes metaestables donde los skyrmions se forman sobre el nc-GS.
  • Skyrmions Aislados No Colineales (nc-ISk): Skyrmions aislados metaestables con diámetros que van desde ~10 nm hasta tamaños más pequeños a medida que aumenta el campo magnético.
• Propiedades Topológicas: A pesar del complejo fondo, estas estructuras retienen una carga topológica de $Q=1$. Los autores muestran que el nc-GS puede descomponerse en tres subredes ferromagnéticas con diferentes ejes de magnetización. Los skyrmions en estas subredes están protegidos topológicamente, gobernados por el segundo grupo homotópico $\pi_2(S^2) = \mathbb{Z}$.
• Estabilidad y Barreras de Energía: Los cálculos de la teoría del estado de transición revelan que estos skyrmions no convencionales están protegidos por barreras de energía significativas. Para Rh/Co/Re(0001) a 2.4 T, la barrera de aniquilación es aproximadamente de 335 meV. Esto es comparable a las barreras observadas en skyrmions convencionales sobre fondos FM (por ejemplo, Pd/Fe/Ir(111)), lo que sugiere que son lo suficientemente estables como para ser observados experimentalmente.
• Mecanismo de Colapso: La aniquilación de estos skyrmions sigue un mecanismo de colapso radial similar al de los skyrmions convencionales, aunque la descomposición de la energía a lo largo de la MEP muestra contribuciones distintas de DMI, intercambio y términos de orden superior.
• Análisis del Diagrama de Fases: Al variar las constantes de HOI respecto a la interacción de intercambio efectiva, los autores construyeron un diagrama de fases que muestra que los valores negativos de las interacciones de tres sitios y de cuatro sitios y cuatro espines favorecen la fase no colineal sobre la fase FM. Este mecanismo no se limita a las películas estudiadas, sino que sugiere una clase más amplia de materiales donde tales estados podrían existir.

Significancia
El artículo afirma que estos hallazgos extienden la familia de cuasipartículas topológicas más allá de los fondos magnéticos convencionales. La significancia principal radica en demostrar que:

1. Ferromagnetos Prototípicos Pueden Alojar Estados No Colineales: Incluso en sistemas basados en Co, típicamente dominados por un fuerte intercambio de pares, las interacciones de orden superior pueden estabilizar estados base no colineales complejos.
2. Nueva Plataforma para Skyrmions: Skyrmions no convencionales pueden emerger espontáneamente sobre estos fondos no colineales, estabilizados por la interacción de DMI y las interacciones de intercambio frustradas.
3. Viabilidad Experimental: Las grandes barreras de energía y las firmas distintivas de SP-STM (como arreglos hexagonales con variaciones de intensidad y texturas de espín específicas) sugieren que estos estados son observables utilizando técnicas experimentales actuales como SP-STM.
4. Potenciales Aplicaciones: Los autores sugieren que estos skyrmions no convencionales podrían abrir nuevas posibilidades para el transporte de espín topológico o sistemas híbridos magneto-superconductores, aunque no proponen arquitecturas de dispositivos específicas.

El trabajo proporciona un marco teórico para identificar y estabilizar texturas topológicas en materiales donde las interacciones de orden superior juegan un papel dominante, desafiando la visión estándar de que los skyrmions requieren un fondo ferromagnético simple.