Exploiting Skyrmion Interactions in weakly-coupled Synthetic Antiferromagnets

Abstract

Τα μαγνητικά σκυρμιόνια είναι τοπολογικά προστατευμένες μαγνητικές δομές που έχουν προσελκύσει έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον τη τελευταία δεκαετία λόγω της σταθερότητάς τους, του μικρού τους μεγέθους και της ευχέρειας που παρέχουν για να χειριστούν με πολύ χαμηλής ενεργειακής απαίτησης για τη διαχείρισή τους. Αυτά τα χαρακτηριστικά τα καθιστούν ιδανικά για χρήση σε νέας γενιάς εφαρμογές όπως ψηφιακή μνήμη, λογικές πύλες και νευρομορφικούς υπολογιστές. Παρ' όλα αυτά παραμένουν σημαντικές προκλήσεις για την πρακτική αξιοποίησή τους, , όπως ο έλεγχος της δυναμικής τους, η κατανόηση των αλληλεπιδράσεών τους και η αντιμετώπιση του φαινομένου Hall των σκυρμιονίων Skyrmion Hall Effect (SkHE).

Η παρούσα διατριβή εστιάζει στην αξιοποίηση των δυνατοτήτων αυτών των μαγνητικών σωματιδίων, μελετώντας τη συμπεριφορά τους, ειδικά σε συνθετικούς αντισιδηρομαγνήτες (Synthetic Antiferromagnets - SAFs) με ασθενή σύζευξη, οι οποίοι έχουν αναδειχθεί ως μία πολλά υποσχόμενη λύση για την καταστολή του SkHE. Οι SAFs επιτρέπουν στα σκυρμιόνια να κινούνται με υψηλές ταχύτητες σε ευθύγραμμες τροχιές, κάτι που είναι κρίσιμο για τη σταθερή λειτουργία λογικών κυκλωμάτων. Στην έρευνά μας, εξετάσαμε τις αλληλεπιδράσεις των σκυρμιονίων σε αυτό το παραγνωρισμένο καθεστώς των ασθενώς συζευγμένων SAFs, το οποίο αποκαλύπτει μία πλούσια δυναμική συμπεριφορά.

Αρχικά, επικεντρωνόμαστε στη δυναμική συμπεριφορά σε αντισιδηρομαγνητικά συζευγμένους δίσκους και εντοπίζουμε τις ιδιοσυχνότητες των αντι-σκυρμιονίων σε SAFs. Το σύστημα εμφανίζει δύο γυροτροπικές και δύο αζιμουθιακές διεγέρσεις, τις οποίους ταξινομούμε με βάση ακτινικούς και αζιμουθιακούς αριθμούς. Ένα αξιοσημείωτο εύρημα είναι ότι, όταν η διαστρωματική σύζευξη τείνει στο μηδέν, η πρώτη γυροτροπική διέγερση καταστέλλεται πλήρως, κάτι που αποδίδεται στις διπολικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των αντι-σκυρμιονίων. Επιπλέον, υπολογίζουμε τη μάζα αδράνειας των σωματιδίων και παρατηρούμε ισχυρή εξάρτηση από τη διαστρωματική σύζευξη. Η ρύθμιση της διαστρωματικής σύζευξης αποδεικνύεται σημαντική.

Στο δεύτερο μέρος της διατριβής, διερευνούμε τη δυναμική συμπεριφορά μετωπικών συγκρούσεων σκυρμιονίων σε διαφορετικές γεωμετρίες, από νανο-διαδρόμους μέχρι αντισιδηρομαγνητικά συζευγμένα πολυστρωματικά μαγνητικά συστήματα. Ένα σημαντικό εύρημα είναι η παρατήρηση «σύντηξης» σκυρμιονίων. Όταν δύο σκυρμιόνια πλησιάζουν, είναι δυνατόν να σχηματιστεί ένα αντι-σκυρμιόνιο μεταξύ τους, το οποίο καταρρέει, οδηγώντας στη ένωσή τους. Εκτός από τη σκέδαση και την εξαΰλωση, η σύντηξη αποτελεί μια ακόμη τοπολογική μετάβαση που μπορεί να αξιοποιηθεί για εφαρμογές, όπως λογικές λειτουργίες, προσφέροντας μία συναρπαστική οδό για επαναπρογραμματιζόμενες, χαμηλής ισχύος λογικές πύλες.

Τέλος, παρουσιάζουμε μια σειρά λογικών πυλών βασισμένες σε μία απλή γεωμετρία διασταυρούμενης ράβδου. Δείχνουμε ότι, υπό διαφορετικές συνθήκες, όπως η πυκνότητα ρεύματος, η ίδια συσκευή μπορεί να εκτελεί δύο τύπους λογικών λειτουργιών, OR και XOR. Μια περαιτέρω βελτίωση στον σχεδιασμό περιλαμβάνει τη χρήση αντισιδηρομαγνητικά συζευγμένων επιπέδων όπου ένα τρίτο σκυρμιόνιο συνδέεται μέσω ενός SAF στο σύστημα. Αυτή η προσθήκη επιτρέπει την αλλαγή των λογικών λειτουργιών μέσω της παρουσίας ή απουσίας αυτού του τρίτου σκυρμιονίου, καθώς και μέσω του ηλεκτρικού ελέγχου της αντισιδηρομαγνητικής του σύζευξης. Ένα επιπλέον πλεονέκτημα αυτής της διάταξης είναι η σημαντική μείωση της απαιτούμενης πυκνότητας ρεύματος που απαιτείται για τη «σύντηξη».

Συνολικά, η παρούσα διατριβή προάγει τη θεμελιώδη κατανόηση αλληλεπιδράσεων μεταξύ σκυρμιονίων και ανοίγει τον δρόμο για νέες εφαρμογές στη σπιντρονική, όπου η σύντηξη σκυρμιονίων θα μπορούσε να αποτελέσει κεντρικό μηχανισμό για μελλοντικά λογικά κυκλώματα. Επίσης προσφέρει ένα πλαίσιο σχεδίασης τεχνολογιών βασισμένων στα σκυρμιόνια που είναι κλιμακώσιμες, γρήγορες και ενεργειακά αποδοτικές, φέρνοντάς μας πιο κοντά στην πλήρη αξιοποίηση του δυναμικού τους για συστήματα υπολογιστών επόμενης γενιάς.

Magnetic Skyrmions are nanoscale, topologically protected spin structures that have drawn significant attention for their stability, small size, and low-energy manipulation, making them ideal candidates for next-generation spintronic devices. Since their discovery in 2009, Skyrmions have shown great promise in a wide range of applications, including racetrack memories, logic gates, and neuromorphic computing. However, for Skyrmions to move from a merely theoretical interest to practical technology, key challenges such as controlling their dynamics, understanding Skyrmion-Skyrmion interactions and overcoming the Skyrmion Hall Effect (SkHE) must be addressed.

This thesis focuses on unlocking the potential of Skyrmions by studying their dynamics, particularly in weakly coupled synthetic antiferromagnets (SAFs), which have emerged as a promising solution to suppress the SkHE. SAFs allow Skyrmions to move at high speeds along straight trajectories, a critical requirement for stable logic operations. In our research, we have explored interactions particularly in the previously overlooked regime of weakly coupled SAFs, which reveals a rich set of dynamic behaviours.

Initially we concentrate on the dynamics in antiferromagnetically-coupled disks and identify the excitation eigenmodes of Antiskyrmions in SAF excited by in-plane fields. The system exhibits two gyrotropic modes and two azimuthal modes, which we categorize based on their radial and azimuthal numbers. Surprisingly, for vanishing interlayer coupling the first gyrotropic mode is fully suppressed and it is shown that this is caused by the dipolar interactions between the Antiskyrmions. In addition, we calculate the inertial mass of the particles and report a strong dependence on the interlayer coupling strength.

The second part of this thesis explores the dynamics of head-on Skyrmion collisions in different geometries ranging from a single layer ferromagnetic nanotrack to antiferromagnetically-coupled magnetic multilayers. One key finding is the observation of Skyrmion fusion. When Skyrmions are brought close together it is possible to form an Antiskyrmion between them which collapses leading to their fusion. In addition to scattering and annihilation, fusion represents yet another topological transition that can be harnessed for applications, such as logic operations, offering an exciting pathway to reconfigurable, low-power logic gates.

Finally we proceed with a proposed conceptual design of logic gates based on a simple cross-bar geometry. We show that under different conditions, such current density, the same device can be used for two types of gate operations, OR and XOR. A further improvement in the proposed design where a third Skyrmion couples through a SAF to the system, shows that the gate operations can be changed by the presence or absence of this third Skyrmion as well as through electrical control of its antiferromagnetic coupling to the rest of the system. Finally a third benefit is that this arrangement significantly reduces the current density required for fusion to take place. All in all the proposed design acts as a voltage reconfigurable logic gate.

This thesis not only advances the fundamental understanding of Skyrmion interactions but also opens the door to novel spintronic applications, where Skyrmion fusion could become a core mechanism for future logic circuits. Our work provides a framework for designing Skyrmion-based technologies that are scalable, fast, and energy-efficient, bringing us closer to realizing the full potential of Skyrmions in next-generation computing systems.