垂直各向异性多层膜中边界控制的单个磁skyrmion的产生、移动及湮灭机制研究

Magnetic skyrmions are topologically stable and particle-like chiral spin configuration. They are appealing because of their potential applications to ultra-dense information storage. In this project, we adopt the magnetic multilayers with perpendicular magnetic anisotropy, which is a candidate for achieving control of skyrmions at room temperature, as the research objects. Moreover, we focus on the influence of the boundary on the nucleation, motion and annihilation mechanism of a single magnetic skyrmion. We first calculate the phase diagrams of magnetic configuration in nanostructures with different boundary conditions as the functions of the magnetic anisotropy and the Dzyaloshinskii-Moriya interaction, and then simulate the evolution processes of different magnetic configurations under the effects of magnetic fields or currents. Accordingly, we conclude the influence mechanism of the boundary conditions on the parameter regions where the skyrmion is stable, size and the stability of single skyrmion. Further, we work out the methods to manipulate the nucleation and annihilation of skyrmions, and reveal the dependence of the correspondingly micromechanism on the boundary condition by simulating the dynamic processes meticulously. Finally, we study the dynamics of skyrmions in different conditions, and then explain how the boundary condition, the Rashba effect and the spin Hall effect influence the skyrmion motion driven by the spin transfer torque.

磁skyrmions是一种拓扑稳定且表现出粒子特性的手性自旋构型,在超高密度信息存储领域具有很好的应用前景。本项目选取一种有望实现室温下对skyrmions进行操控的体系——垂直各向异性多层膜为研究对象，重点关注边界条件对单个skyrmion的产生、移动及湮灭的影响。我们将首先计算不同边界的纳米结构的稳态磁构型与磁各向异性- Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的关系相图，观察各种磁构型随磁场、电流的演化过程，得出边界条件对单个skyrmion的存在范围、尺寸和稳定性的影响机制，并找出利用磁场和电流控制其生成和湮灭的方法。然后对skyrmions生成和湮灭的动态过程进行细致模拟，揭示边界条件对其微观机制的影响。最后通过计算不同形态纳米结构中单个skyrmion的动力学行为，揭示边界效应、Rashba效应和自旋霍尔效应在自旋转移扭矩驱动skyrmions中的作用。

本项目选取存在对称性破缺的手性磁材料为研究对象，重点关注具有边界限制的纳米结构中单个斯格明子的产生、移动及湮灭的动力学行为。一方面，我们计算了纳米盘中的稳态磁构型，得出各种磁构型随磁场、电流的演化过程，提出了利用纳米盘边界条件、极化电流控制斯格明子极性的方法，研究了纳米盘中斯格明子团簇在平面磁场作用下的动力学行为。另一方面，我们对纳米条带中斯格明子的产生及移动行为进行了研究，分析了自旋霍尔电流驱动条纹畴转变为单个斯格明子的生成机制，提出并验证了利用应力切割纳米条带生成斯格明子的理论机制，并研究了纳米条带中应力对斯格明子移动行为的影响。另外，我们还研究了阻挫系统中斯格明子的生成和湮灭行为。总之，依托本项目的资助，我们对纳米盘、纳米条带中斯格明子的动力学行为进行了详细的研究，揭示了边界条件、应力、磁场和电流等因素对斯格明子影响的微观机制。本项目的研究成果不仅从理论上对这些机制进行了详细的解释，而且提出的操控方法和研究结果对实验有很好的指导作用。