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

Sintesi Tecnica: Facilitazione della Nucleazione di Skyrmion Indotta da Corrente Elettrica e Laser tramite un DMI Effettivo Potenziato dal Campo Dipolare

Definizione del Problema
La stabilità e la controllabilità delle texture magnetiche chirali, come gli skyrmion, dipendono fortemente dall'interazione Dzyaloshinskii-Moriya (DMI). Nei multistrati magnetici, il DMI interfacciale stabilizza le pareti di dominio di tipo Néel e gli skyrmion, garantendo una chiralità uniforme e consentendo il moto guidato dalla corrente. Tuttavia, nei multistrati con uno spessore e un momento magnetico significativi, le interazioni dipolari a lungo raggio possono competere con il DMI. Nello specifico, il campo dipolare generato dalla magnetizzazione fuori piano nei domini può creare un campo nel piano all'interno delle pareti di dominio che si oppone al DMI in determinati strati, portando potenzialmente a pareti eterochirali e a una ridotta stabilità. Sebbene questo effetto dipolare sia spesso visto come deleterio per il moto guidato dalla corrente, esso è anche essenziale per le piccole dimensioni e l'alta stabilità degli skyrmion. La sfida consiste nell'isolare l'effetto del DMI effettivo sulla nucleazione degli skyrmion senza alterare simultaneamente altri parametri magnetici (come la magnetizzazione di saturazione o l'anisotropia), cosa che avviene tipicamente modificando lo spessore degli strati o la composizione.

Metodologia
Gli autori hanno fabbricato quattro distinti stack di multistrati magnetici basati su Ir/Co/Pt per variare sistematicamente il DMI effettivo mantenendo identici la magnetizzazione di saturazione media ($M_s$) e l'anisotropia unassiale ($K_u$). I blocchi costruttivi erano due trilayer: $[Pt(1) | Co(1) | Ir(1)]$ (DMI intrinseco positivo) e $[Ir(1) | Co(1) | Pt(1)]$ (DMI intrinseco negativo).

1. Stack Uniform+ e Uniform-: Contenevano sei ripetizioni di un singolo tipo di trilayer, risultando in segni di DMI intrinseco uniformi in tutto lo stack.
2. Stack Enhanced (Potenziato): Composto da tre ripetizioni del trilayer con DMI positivo seguite da tre ripetizioni del trilayer con DMI negativo. Questa configurazione allinea il campo DMI effettivo in parallelo al campo dipolare in tutti gli strati, teoricamente potenziando il DMI effettivo.
3. Stack Reduced (Ridotto): Composto da tre ripetizioni del trilayer con DMI negativo seguite da tre ripetizioni del trilayer con DMI positivo. Questa configurazione allinea il campo DMI effettivo in antiparallelo al campo dipolare, teoricamente riducendo il DMI effettivo.

Gli campioni sono stati caratterizzati tramite SQUID-VSM per i parametri magnetici e MFM (Microscopia a Forza Magnetica) per misurare le larghezze dei domini in equilibrio e determinare la forza del DMI effettivo ($|D_{eff}|$) utilizzando un modello di Lemesh et al. La nucleazione degli skyrmion è stata indotta tramite due metodi:

• Guidata dalla corrente: Utilizzando impulsi di corrente da 50 ns in linee di corrente strette.
• Indotta da laser: Utilizzando singoli impulsi laser da 7 leaves 70 fs.
  In entrambi i casi, la nucleazione è stata eseguita sotto un campo di bias fuori piano applicato, e la densità e la stabilità degli skyrmion risultanti sono state analizzate.

Risultati Chiave

• Modulazione del DMI Effettivo: La caratterizzazione ha confermato che gli stack Enhanced e Reduced possedevano valori di $M_s$ e $K_u$ quasi identici (medie dei due stack uniformi). Tuttavia, il DMI effettivo differiva significativamente. Lo stack Enhanced ha esibito un DMI effettivo circa 2,5 volte più grande dello stack Reduced. Nello specifico, lo stack Enhanced ha mostrato un aumento di $(0,34 \pm 0,08) \text{ mJ m}^{-2}$ rispetto alla media, mentre lo stack Reduced ha mostrato una diminuzione di $(0,6 \pm 0,1) \text{ mJ m}^{-2}$. Questi valori sperimentali erano in buon accordo con le simulazioni MuMax3 e i modelli analitici che prevedono i contributi dipolari.
• Densità di Nucleazione degli Skyrmion: Il risultato più significativo è stato l'impatto sulla densità di nucleazione. Nello stack Enhanced, la densità di skyrmion nucleati era fino a un fattore di $\sim 20$ superiore rispetto allo stack Reduced per la nucleazione guidata dalla corrente, e 4 volte superiore per la nucleazione indotta da laser alla saturazione.
• Soglie: Sorprendentemente, la densità di corrente soglia ($J_c$) e la fluenza soglia ($F_c$) necessarie per avviare la nucleazione erano quasi identiche per entrambi i tipi di stack. Ciò suggerisce che il DMI effettivo influenza principalmente la stabilità e la sopravvivenza degli skyrmion nucleati piuttosto che la barriera energetica iniziale per la nucleazione.
• Stabilità: Gli skyrmion nello stack Enhanced sono rimasti stabili in campi magnetici più forti rispetto allo stack Reduced, indicando ulteriormente una migliore stabilità grazie al DMI effettivo potenziato.
• Dinamica: Misurazioni preliminari hanno indicato che la coppia spin-orbita (SOT) poteva ancora guidare il moto delle pareti di dominio e degli skyrmion nello stack Enhanced, nonostante l'ordine di impilamento invertito in metà del dispositivo, poiché il segno della SOT e la chiralità si compensavano a vicenda.

Significato e Rivendicazioni
Il paper afferma di aver dimostrato sperimentalmente che la nucleazione degli skyrmion dipende fortemente dall'entità del DMI effettivo in un multistrato magnetico. Utilizzando il campo dipolare interno in combinazione con un ordine di impilamento specifico per strato, gli autori sono riusciti a controllare il DMI effettivo senza alterare altri parametri del materiale.

Gli autori dichiarano che questo approccio fornisce una via efficace per facilitare la nucleazione e la stabilità delle texture magnetiche chirali. Evidenziano che i loro risultati offrono la prima intuizione sulla dipendenza della nucleazione degli skyrmion indotta da laser dai contributi dipolari interni nei multistrati magnetici. Il lavoro suggerisce che l'ingegneria dell'ordine di impilamento per allineare i campi dipolari con il DMI è una strategia praticabile per ottimizzare i dispositivi basati su skyrmion, in particolare per migliorare la densità e la stabilità degli skyrmion nucleati, anche se le soglie di nucleazione stesse rimangono ampiamente non influenzate da questa specifica modifica.