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

Resumo Técnico: Facilitando a Nucleação de Skyrmions Elétrica e Induzida por Laser com uma DMI Efetiva Aumentada por Campo Dipolar

Definição do Problema
A estabilidade e o controle de texturas magnéticas quirais, como os skyrmions, dependem fortemente da interação Dzyaloshinskii-Moriya (DMI). Em multicamadas magnéticas, a DMI interfacial estabiliza paredes de domínio do tipo Néel e skyrmions, garantindo quiralidade uniforme e permitindo o movimento impulsionado por corrente. No entanto, em multicamadas com espessura e momento magnético significativos, interações dipolares de longo alcance podem competir com a DMI. Especificamente, o campo dipolar gerado pela magnetização fora do plano em domínios pode criar um campo no plano dentro das paredes de domínio que se opõe à DMI em certas camadas, levando potencialmente a paredes heteroquirais e redução da estabilidade. Embora esse efeito dipolar seja frequentemente visto como prejudicial ao movimento impulsionado por corrente, ele é essencial para o tamanho reduzido e a alta estabilidade dos skyrmions. O desafio reside em isolar o efeito da DMI efetiva na nucleação de skyrmions sem alterar simultaneamente outros parâmetros magnéticos (como a magnetização de saturação ou a anisotropia), o que ocorre tipicamente ao modificar a espessura da camada ou a composição.

Metodologia
Os autores fabricaram quatro pilhas distintas de multicamadas magnéticas baseadas em Ir/Co/Pt para variar sistematicamente a DMI efetiva mantendo a magnetização de saturação média ($M_s$) e a anisotropia uniaxial ($K_u$) idênticas. Os blocos de construção foram dois trilayers: $[Pt(1) | Co(1) | Ir(1)]$ (DMI intrínseca positiva) e $[Ir(1) | Co(1) | Pt(1)]$ (DMI intrínseca negativa).

1. Pilhas Uniform+ e Uniform-: Contêm seis repetições de um único tipo de trilayer, resultando em sinais de DMI intrínseca uniformes em toda a pilha.
2. Pilha Aumentada (Enhanced): Composta por três repetições do trilayer de DMI positiva seguidas por três repetições do trilayer de DMI negativa. Esta configuração alinha o campo de DMI efetivo paralelamente ao campo dipolar em todas as camadas, teoricamente aumentando a DMI efetiva.
3. Pilha Reduzida (Reduced): Composta por três repetições do trilayer de DMI negativa seguidas por três repetições do trilayer de Dima positiva. Esta configuração alinha o campo de DMI efetivo antiparalelamente ao campo dipolar, teoricamente reduzindo a DMI efetiva.

As amostras foram caracterizadas usando SQUID-VSM para parâmetros magnéticos e Microscopia de Força Magnética (MFM) para medir larguras de domínio em equilíbrio e determinar a força da DMI efetiva ($|D_{eff}|$) usando um modelo de Lemesh et al. A nucleação de skyrmions foi induzida via dois métodos:

• Impulsionada por corrente: Usando pulsos de corrente de 50 ns em linhas de corrente estreitas.
• Induzida por laser: Usando pulsos de laser únicos de 70 fs.
  Em ambos os casos, a nucleação foi realizada sob um campo de polarização fora do plano aplicado, e a densidade e estabilidade dos skyrmions resultantes foram analisadas.

Resultados Principais

• Modulação da DMI Efetiva: A caracterização confirmou que as pilhas Aumentada e Reduzida possuíam valores de $M_s$ e $K_u$ quase idênticos (médias das duas pilhas uniformes). No entanto, a DMI efetiva diferiu significamente. A pilha Aumentada exibiu uma DMI efetiva aproximadamente 2,5 vezes maior que a pilha Reduzida. Especificamente, a pilha Aumentada mostrou um aumento de $(0,34 \pm 0,08) \text{ mJ m}^{-2}$ sobre a média, enquanto a pilha Reduzida mostrou uma diminuição de $(0,6 \pm 0,1) \text{ mJ m}^{-2}$. Esses valores experimentais alinharam-se bem com as simulações MuMax3 e modelos analíticos que preveem contribuições dipolares.
• Densidade de Nucleação de Skyrmion: O achado mais significativo foi o impacto na densidade de nucleação. Na pilha Aumentada, a densa de skyrmions nucleados foi até um fator de $\sim 20$ maior do que na pilha Reduzida para nucleação impulsionada por corrente, e 4 vezes maior para nucleação induzida por laser na saturação.
• Limiares: Surpreendentemente, a densidade de corrente de limiar ($J_c$) e a fluência de limiar ($F_c$) necessárias para iniciar a nucleação foram quase idênticas para ambos os tipos de pilha. Isso sugere que a DMI efetiva influencia primariamente a estabilidade e a sobrevivência dos skyrmions nucleados, em vez do barreira de energia inicial para a nucleação.
• Estabilidade: Os skyrmions na pilha Aumentada permaneceram estáveis em campos magnéticos mais fortes comparados à pilha Reduzida, indicando ainda a melhoria da estabilidade devido à DMI efetiva aumentada.
• Dinâmica: Medições preliminares indicaram que o torque de spin-órbita (SOT) ainda poderia impulsionar o movimento de paredes de domínio e skyrmions na pilha Aumentada, apesar da inversão da ordem de empilhamento em metade do dispositivo, pois a mudança de sinal no SOT e na quiralidade se compensaram.

Significância e Alegações
O artigo afirma demonstrar experimentalmente que a nucleação de skyrmions é fortemente dependente da magnitude da DMI efetiva em uma multicamada magnética. Ao utilizar a interação dipolar interna em combinação com uma ordem de empilhamento dependente da camada específica, os autores controlaram com sucesso a DMI efetiva sem alterar outros parâmetros do material.

Os autores afirmam que esta abordagem fornece uma rota eficaz para facilitar a nucleação e a estabilidade de texturas magnéticas quirais. Eles destacam que seus resultados oferecem o primeiro insight sobre a dependência da nucleação de skyrmion induzida por laser nas interações dipolares internas em multicamadas magnéticas. O trabalho sugere que a engenharia da ordem de empilhamento para alinhar os campos dipolares com a DMI é uma estratégia viável para otimizar dispositivos baseados em skyrmions, particularmente para melhorar a densidade e a estabilidade dos skyrmions nucleados, mesmo que os próprios limiares de nucleação permaneçam amplamente inalterados por esta modificação específica.