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

Technische Samenvatting: Faciliteren van Elektrische en Laser-geïnduceerde Skyrmion Nucleatie met een Dipolaire-veld Versterkte Effectieve DMI

Probleemstelling
De stabiliteit en controleerbaarheid van chirale magnetische texturen, zoals skyrmionen, zijn sterk afhankelijk van de Dzyaloshinskii-Moriya interactie (DMI). In magnetische multilagen stabiliseert interface-DMI Néel-type wanden en skyrmionen, wat zorgt voor uniforme chiraliteit en het mogelijk maakt dat deze door stroom worden aangestuurd. Echter, in multilagen met een aanzienlijke dikte en magnetisch moment kunnen lang reikende dipolaire interacties concurreren met de DMI. Specifiek kan het dipolaire veld gegenereerd door uit-het-vlak magnetisatie in domeinen een in-het-vlak veld creëren binnen domeinwanden dat de DMI in bepaalde lagen tegenwerkt, wat potentieel kan leiden tot heterochirale wanden en verminderde stabiliteit. Hoewel dit dipolaire effect vaak als nadelig wordt beschouwd voor door stroom aangedreven beweging, is het ook essentieel voor de kleine omvang en hoge stabiliteit van skyrmionen. De uitdaging ligt in het isoleren van het effect van de effectieve DMI op skyrmion nucleatie zonder tegelijkertijd andere magnetische parameters (zoals verzadigingsmagnetisatie of anisotropie) te wijzigen, wat doorgaans gebeurt wanneer de dikte of samenstelling van de lagen wordt aangepast.

Methodologie
De auteurs vervaardigden vier verschillende Ir/Co/Pt-gebaseerde magnetische multilag-stacks om de effectieve DMI systematisch te variëren terwijl de gemiddelde verzadigingsmagnetisatie ($M_s$) en uniaxiale anisotropie ($K_u$) identiek bleven. De bouwstenen waren twee trilagen: $[Pt(1) | Co(1) | Ir(1)]$ (positieve intrinsieke DMI) en $[Ir(1) | Co(1) | Pt(1)]$ (negatieve intrinsieke DMI).

1. Uniform+ en Uniform- Stacks: Bevatten zes herhalingen van één enkel type trilag, wat resulteerde in uniforme intrinsieke DMI-tekens door de gehele stack.
2. Enhanced Stack: Bestond uit drie herhalingen van de positieve DMI-trilag gevolgd door drie herhalingen van de negatieve DMI-trilag. Deze configuratie brengt de effectieve DMI-veld parallel aan het dipolaire veld in alle lagen, wat theoretisch de effectieve DMI versterkt.
3. Reduced Stack: Bestond uit drie herhalingen van de negatieve DMI-trilag gevolgd door drie herhalingen van de positieve DMI-trilag. Deze configuratie brengt de DMI-effectieve veld antiparallel aan het dipolaire veld, wat de effectieve DMI theoretisch vermindert.

De monsters werden gekarakteriseerd met behulp van SQUID-VSM voor magnetische parameters en Magnetic Force Microscopy (MFM) om evenwichtige domeinbreedtes te meten en de effectieve DMI-sterkte ($|D_{eff}|$) te bepalen met een model van Lemesh et al. Skyrmion nucleatie werd geïnduceerd via twee methoden:

• Door stroom gedreven: Gebruikmakend van 50 ns stroompulsen in smalle stroomlijnen.
• Laser-geïnduceerd: Gebruikmakend van enkele 70 fs laserpulsen.
  In beide gevallen werd nucleatie uitgevoerd onder een uit-het-vlak toegepast biasveld, en de resulterende skyrmion-dichtheid en stabiliteit werden geanalyseerd.

Belangrijkste Resultaten

• Modulatie van de Effectieve DMI: De karakterisering bevestigde dat de Enhanced en Reduced stacks bijna identieke $M_s$ en $K_u$ waarden bezaten (gemiddelden van de twee uniforme stacks). De effectieve DMI verschilde echter significant. De Enhanced stack vertoonde een effectieve DMI die ongeveer 2,5 keer groter was dan die van de Reduced stack. Specifiek vertoonde de Enhanced stack een toename van $(0,34 \pm 0,08) \text{ mJ m}^{-2}$ ten opzichte van het gemiddelde, terwijl de Reduced stack een afname liet zien van $(0,6 \pm 0,1) \text{ mJ m}^{-2}$. Deze experimentele waarden kwamen goed overeen met MuMax3-simulaties en analytische modellen die dipolaire bijdragen voorspellen.
• Skyrmion Nucleatie-dichtheid: De meest significante bevinding was de impact op de nucleatie-dichtheid. In de Enhanced stack was de dichtheid van genucleerde skyrmionen tot een factor $\sim 20$ hoger dan in de Reduced stack voor door stroom gedreven nucleatie, en 4 keer hoger voor laser-geïnduceerde nucleatie bij verzadiging.
• Drempelwaarden: Verrassend genoeg waren de drempelstroomdichtheid ($J_c$) en de drempelfluëntie ($F_c$) vereist om nucleatie te initiëren bijna identiek voor beide stack-typen. Dit suggereert dat de effectieve DMI primair de stabiliteit en overleving van de genucleerde skyrmionen beïnvloedt, in plaats van de initiële energiebarrière voor nucleatie.
• Stabiliteit: Skyrmionen in de Enhanced stack bleven stabiel in sterkere magnetische velden vergeleken met de Reduced stack, wat verder wijst op verbeterde stabiliteit door de versterkte effectieve DMI.
• Dynamica: Voorlopige metingen gaven aan dat spin-orbit torque (SOT) nog steeds domeinwand- en skyrmionbeweging kon aandrijven in de Enhanced stack, ondanks de omgekeerde stapelvolgorde in de helft van het apparaat, omdat de tekenverandering in SOT en chiraliteit elkaar compenseerden.

Betekenis en Claims
Het artikel beweert experimenteel aan te tonen dat skyrmion nucleatie sterk afhankelijk is van de grootte van de effectieve DMI in een magnetische multilag. Door gebruik te maken van het interne dipolaire veld in combinatie met een specifieke laagafhankelijke stapelvolgorde, hebben de auteurs de effectieve DMI succesvol kunnen controleren zonder andere materiaaleigenschappen te wijzigen.

De auteurs stellen dat deze aanpak een effectieve route biedt om de nucleatie en stabiliteit van chirale magnetische texturen te faciliteren. Ze benadrukken dat hun resultaten de eerste inzichten bieden in de afhankelijkheid van laser-geïnduceerde skyrmion nucleatie van interne dipolaire interacties in magnetische multilagen. Het werk suggereert dat het manipuleren van de stapelvolgorde om dipolaire velden uit te lijnen met de DMI een levensvatbare strategie is voor het optimaliseren van skyrmion-gebaseerde apparaten, met name voor het verbeteren van de dichtheid en stabiliteit van genucleerde skyrmionen, zelfs als de nucleatie-drempels zelf grotendeels ongevoelig blijven voor deze specifieke modificatie.