Skyrmionics and magnonics in chiral ferromagnets : from micromagnetic to atomistic control

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: MENEZES, Raí Maciel de
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Tese
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFPE
dARK ID: ark:/64986/0013000002kh8
Texto Completo: https://repositorio.ufpe.br/handle/123456789/42916
Resumo: MILOSEVIC, Milorad Vlado também é conhecido em citações bibliográficas por: MILOSEVIC, Milorad.
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Essentially, the inherent stability of magnetic skyrmions (provided by their topological charge) together with their extremely small size (down to a few nanometers) and the ultralow threshold current necessary to move them in nanostructures are the main advantages of skyrmionics. Not least, magnonics offers lower power consumption compared to electronics and the excitation of high frequency (sub-100 nm wavelength) magnons makes it possible for the creation of nanometric devices for ultrafast information transport. Even though extensive research has been carried out in recent years, the precise manipulation of skyrmions and spin waves (magnons) in nanostructures is not fully mastered and needs to be addressed before making functional skyrmionic and magnonic devices. In this thesis, we reveal multiple alternatives for the manipulation of skyrmions and spin-waves in different materials, such as bulk chiral magnets, heterochiral structures, magnet-supperconductor hybrids and two-dimentional magnetic materials. We make use of a multiscale model to numerically simulate the magnetic states at each considered material, from micromagnetic to atomistic control. We first explore the different nucleation mechanisms, activation energy, and the time evolution of the skyrmion formation in chiral magnetic films, crucial for the realization of skyrmion-based devices. We show that the skyrmion lattice is formed from the conical phase progressively, most probably by the formation of chiral bobbres, followed by the cylindrical growth of individual skyrmions from the film surface. That reflects a rod-like (one-dimensional) nucleation of the skyrmion phase, with an activation barrier of several electronvolts per skyrmion for the case of MnSi (Manganese monosilicide). In addition, we reveal the interesting blinking (creation-annihilation) behavior of skyrmions close to the phase boundary between the conical and skyrmion phases, where we recall that such switching between topologically distinct states has been proposed as a bit operation for information storage. Next, we discuss the motion of ferromagnetic and antiferromagnetic skyrmions in heterochiral magnets. We report the characteristic deflection of ferromagnetic skyrmions when moving across a heterochiral interface, where the extent of such deflection is tuned by the applied spin-polarized current and the magnitude of Dzyaloshinskii-Moriya interaction. Following, we show that the antiferromagnetic skyrmion achieves much higher velocities than its ferromagnetic counterpart, yet experiences far stronger confinement in nanoengineered heterochiral tracks, which reinforces antiferromagnetic skyrmions as a favorable choice for skyrmion- based devices. After that, we study the interesting coupling of magnetic skyrmions and superconducting vortices in magnet-superconductor heterostructures. We perform numerical simulations, based on experimental observations, to demonstrate that the stray field of magnetic skyrmions can nucleate antivortices in an adjacent superconducting film, giving rise to a hybrid topological object, the skyrmion-vortex pair, which harbor promising features for skyrmionics and quantum computing applications. We then explore the manipulation of a single skyrmion-vortex pair when currents are applied into both superconducting and magnetic parts of the heterostructure, which is of importance for the facilitated skyrmion guidance in racetrack applications. Afterwards, we make use of the high tunability of magnetic parameters in two-dimensional magnetic materials to reveal the rich phase diagram of exotic magnetic configurations in magnetic monolayers with suppressed nearest-neighbour exchange, where we show that several unique cycloidal, checkerboard, row-wise and spin-ice states are stabilized by the competition between the second-nearest-neighbor exchange, Dzyaloshinskii-Moriya, and dipolar interactions. Additionally, we show the coexistence of ferromagnetic and antiferromagnetic spin-cycloids, as well as novel types of skyrmions and chiral domain walls. Finally, in the last part of the thesis, we present the spin wave properties in the two-dimensional magnetic materials CrBr3 and CrI3. Using spin-dynamics simulations parametrized from first principles, we reveal that the spin wave dispersion in such materials can be tuned in a broad range of frequencies by strain-engineering, and that a designed pattern of strain, as well as structural defects (halide vacancies) can be turned useful in the design of spin-wave guides. Lastly, we discuss the realization of magnonic crystals by moiré-periodic modulation of magnetic parameters in van der Waals heterostructures, where we show that the several nanometer small periodicities in such samples are ideal for the interference of terahertz spin waves. Recalling the wide range of possibilities for manipulating spin waves in such two-dimensional materials, we therefore suggest these systems as a front-runner for prospective terahertz magnonic applications.CNPqO controle preciso da skyrmiônica e magnônica em materiais magnéticos é a chave para o desenvolvimento de novas tecnologias baseadas em spin e para aplicações de transporte de informações. Essencialmente, a estabilidade inerente dos skyrmions magnéticos (favorecida por sua carga topológica) junto com seu tamanho extremamente pequeno (podendo chegar até alguns nanômetros) e a corrente ultrabaixa necessária para movê-los em nanoestruturas são as principais vantagens da skyrmiônica. Não menos importante, a magnônica oferece menor consumo de energia em comparação à eletrônica e a excitação de magnons de alta frequência (com comprimento de onda abaixo de 100 nm) torna possível a criação de dispositivos nanométricos para o transporte de informação ultrarrápido. Mesmo com extensa pesquisa realizada nos últimos anos, a manipulação precisa de skyrmions e ondas de spin (magnons) em nanoestruturas não é totalmente dominada e precisa ser tratada antes da realização de dispositivos skyrmiônicos e magnônicos funcionais. Nesta tese, revelamos várias alternativas para a manipulação de skyrmions e ondas de spin em diferentes materiais, como magnetos quirais espessos, estruturas heteroquirais, híbridos de supercondutores e magnetos, assim como materiais magnéticos bidimensionais. Fazemos uso de um modelo de multiescala para simular numericamente os estados magnéticos em cada material considerado, desde o controle micromagnético ao atomístico. Primeiro exploramos os diferentes mecanismos de nucleação, energia de ativação e a evolução temporal da formação de skyrmions em filmes magnéticos quirais, cruciais para a realização de dispositivos baseados em skyrmions. Mostramos que a estrutura do skyrmion é formada a partir da fase cônica progressivamente, muito provavelmente pela formação de bobbres quirais, seguida pelo crescimento cilíndrico de skyrmions individuais da superfície do filme. Isso reflete uma nucleação unidimensional da fase de skyrmion, com uma barreira de ativação de alguns elétron-volts por skyrmion para o caso de MnSi (Silicato de manganês). Além disso, revelamos o comportamento interessante de criação-aniquilação de skyrmions perto do limite de fase entre as fases cônica e de skyrmions, onde lembramos que essa comutação entre estados topologicamente distintos foi proposta como uma operação de bits (dígitos binários) para armazenamento de informações. A seguir, discutimos o movimento de skyrmions ferromagnéticos e antiferromagnéticos em magnetos heteroquirais. Relatamos a deflexão característica de skyrmions ferromagnéticos ao se mover através de uma interface heteroquiral, onde a extensão de tal deflexão é ajustada pela corrente polarizada de spin aplicada e a magnitude da interação Dzyaloshinskii-Moriya. A seguir, mostramos que o skyrmion antiferromagnético atinge velocidades muito mais altas do que sua contraparte ferromagnética, mas experimenta um confinamento muito mais forte em nanoestruturas heteroquirais, o que reforça os skyrmions antiferromagnéticos como uma escolha favorável para dispositivos baseados em skyrmions. Depois disso, estudamos o interessante acoplamento de skyrmions magnéticos e vórtices supercondutores em heteroestruturas magneto-supercondutoras. Realizamos simulações numéricas, com base em observações experimentais, para demonstrar que o campo magnético emitido pelos skyrmions pode nuclear antivórtices em um filme supercondutor adjacente, dando origem a um objeto topológico híbrido, o par skyrmion-vórtice, que abriga recursos promissores para skyrmiônica e aplicações em computação quântica. Em seguida, exploramos a manipulação de um único par skyrmion-vórtice quando correntes são aplicadas nas partes supercondutoras e magnéticas da heteroestrutura, o que é importante para o controle dos skyrmions em nanoestruturas. Em seguida, fazemos uso da alta gama de possibilidades de se manipular os parâmetros magnéticos em materiais bidimensionais para revelar um diagrama de fase rico de configurações exóticas em monocamadas magnéticas com interação de troca de primeiro vizinho suprimida, onde mostramos que configurações únicas são estabilizadas pela competição entre as interações de troca de segundos vizinhos, Dzyaloshinskii-Moriya, e a interação dipolar. Além disso, mostramos a coexistência de cicloides de spin ferromagnéticas e antiferromagnéticas, bem como novos tipos de skyrmions e paredes de domínio quirais. Finalmente, na última parte da tese, apresentamos as propriedades de ondas de spins nos materiais magnéticos bidimensionais CrBr3 e CrI3. Usando simulações de dinâmica de spin parametrizadas a partir de calculos de primeiros princípios, revelamos que a dispersão da onda de spin em tais materiais pode ser sintonizada em uma ampla gama de frequências por meio de deformações no material, e que um padrão de deformação, bem como de defeitos estruturais (vacâncias) pode ser útil no desenvolvimento de guias de onda de spin. Por fim, discutimos a realização de cristais magnônicos por modulação periódica dos parâmetros magnéticos em padrões de moiré em heteroestruturas de van der Waals, onde mostramos que a periodicidade nanométrica em tais amostras é ideal para a interferência de ondas de spins na frequência de terahertz. Relembrando a ampla gama de possibilidades de manipulação de ondas de spins em tais materiais bidimensionais, sugerimos, portanto, esses sistemas como promissores para aplicações em magnônica de alta frequência.engUniversidade Federal de PernambucoPrograma de Pos Graduacao em FisicaUFPEBrasilSkyrmions magnéticosOndas de spinMagnetos quiraisSpintrônicaSkyrmionics and magnonics in chiral ferromagnets : from micromagnetic to atomistic controlinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisdoutoradoinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFPEinstname:Universidade Federal de Pernambuco (UFPE)instacron:UFPEORIGINALTESE Raí Maciel de Menezes.pdfTESE Raí Maciel de Menezes.pdfapplication/pdf15251814https://repositorio.ufpe.br/bitstream/123456789/42916/1/TESE%20Ra%c3%ad%20Maciel%20de%20Menezes.pdff58e5434439dff540e3a4e90ab4941a0MD51LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-82142https://repositorio.ufpe.br/bitstream/123456789/42916/2/license.txt6928b9260b07fb2755249a5ca9903395MD52TEXTTESE Raí Maciel de Menezes.pdf.txtTESE Raí Maciel de Menezes.pdf.txtExtracted texttext/plain468947https://repositorio.ufpe.br/bitstream/123456789/42916/3/TESE%20Ra%c3%ad%20Maciel%20de%20Menezes.pdf.txteb8c138be60a1b25aae0bee3f42b285dMD53THUMBNAILTESE Raí Maciel de Menezes.pdf.jpgTESE Raí Maciel de Menezes.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg1219https://repositorio.ufpe.br/bitstream/123456789/42916/4/TESE%20Ra%c3%ad%20Maciel%20de%20Menezes.pdf.jpg4fe3f2efe7e0baf7f5026f5bb3748b5fMD54123456789/429162022-02-19 02:10:46.958oai:repositorio.ufpe.br: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ório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufpe.br/oai/requestattena@ufpe.bropendoar:22212022-02-19T05:10:46Repositório Institucional da UFPE - Universidade Federal de Pernambuco (UFPE)false
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