Novel Topological Spin Solitons for Spintronics Applications

Abstract

Topologically non-trivial spin solitons, such as skyrmions and magnetic edge dislocations, are particle-like nanoscale configurations in the magnetization field. In solid state systems, they can be written, moved, and erased on demand and can be manipulated efficiently by electric and magnetic means. These intriguing properties, coupled with their excellent long-term stability, make topological solitons highly attractive for future computation and racetrack memory applications. Here, individual spin solitons are proposed as candidates to represent state variables for encoding units of data in a non-volatile format. Initially discovered in non-centrosymmetric crystal systems with chiral magnetic interactions, skyrmions have since been observed in a wider range of systems, stabilized also by long-ranged dipolar interactions, four-spin interactions, and frustrated exchange interactions. Dipolar-stabilized skyrmions in centrosymmetric crystals are particularly interesting for technological applications, as they typically possess high-temperature stability and have additional internal degrees of freedom, allowing further utilization for data representation. So far, the development of skyrmion-based memory applications remains at the level of fundamental research and systems hosting dipolar-stabilized skyrmions have not been considered in detail in this context. Furthermore, due to the strong geometric influence of the dipolar interaction, their magnetic textures can be tailored by appropriate nanostructuring. Here, utilizing a combination of scanning probe microscopy, nanostructuring with focused ion beam, and micromagnetic simulations, a new device concept is explored from the materials perspective, starting with fundamental properties of the model system, Fe3Sn2, and progressing towards a potential device prototype. The results presented in this work demonstrate the feasibility of the concept, uncover key design criteria, and establish basic fabrication methods. In addition, a novel approach for read-out of spin solitons was explored. For this purpose, the non-entrosymmetric helimagnet FeGe was chosen as the model system, where a non-linear interaction linked to a locally enhanced usceptibility was considered. Based on these results, an innovative detection scheme was proposed, using planar microcoils compatible with semiconductor fabrication methods. In summary, the results presented in this thesis show new strategies for encoding information using topological spin solitons and the read-out that can be generalized to other materials, showing new opportunities for the application of solitons and the design of future spintronics devices.

Norsk sammendrag

Spinsolitoner med ikke-triviell topologi, som for eksempel skyrmioner og magnetiske kantdislokasjoner, er partikkelliknende konfigurasjoner i magnetiseringsfeltet på nanoskala. I faste stoffer kan de skrives, flyttes og slettes ved hjelp av elektrisk og magnetisk stimuli. Disse fascinerende egenskapene, kombinert med enestående langsiktig stabilitet, gjør topologiske solitoner til attraktive kandidater for fremtidige anvendelser innen informasjonsteknologi, spesielt med tanke på racetrack minne. I racetrack minne er individuele spinsolitoner foreslått som kandidater til å representere tilstandsvariabler som kan representere enheter av data på et ikke-volatilt format. Skyrmioner ble først oppdaget i systemer med kirale magnetiske interaksjoner som oppstår som følge av den ikke-sentrosymmetriske krystallstrukturen. I nyere tid har skyrmioner blitt identifisert i en større gruppe materialer, der de også kan stabiliseres av langtvirkende dipolare interaksjoner, fire-spin interaksjoner og frustrerte utvekslingsinteraksjoner. Skyrmioner som stabiliseres av dipolare interaksjoner i sentrosymmetriske krystallstrukturer er spesielt interessante for teknologiske anvendelser, da de typisk er stabile ved romtemperatur og har flere frihetsgrader som tillater videre utnyttelse for representering av data. Utviklingen av skyrmionbasert minneteknologi er ennå på grunnforskningsnivå og systemer med skyrmioner som stabiliseres av dipolare interaksjoner har fram til nå ikke blitt vurdert for dette formålet. På grunn av den sterke geometriske avhengigheten til dipolare interaksjoner kan den magnetiske teksturen skreddersys ved hjelp av nanostrukturering. I dette arbeidet har skanningssondemikroskopi, nanostrukturering ved hjelp av fokusert ionestrålemikroskopi og mikromagnetiske simuleringer blitt brukt for å utforske et nytt konsept innen minneteknologi. Fundamentale materialegenskaper i modellsystemet, Fe3Sn2, har blitt undersøkt, samt videre utvikling mot en mulig prototype. Resultatene presentert i denne avhandlingen demonstrer gjennomførbarheten til dette konseptet, avdekker viktige designkriterier og etablerer grunnleggende fabrikkeringsmetoder. I tillegg har et nytt konsept for deteksjon av topologiske spinsolitoner blitt utforsket. For dette formålet ble den ikke-sentrosymmetriske helimagneten FeGe valgt som modellsystem, hvor en ikke-lineær interaksjon relatert til en lokal økning i susceptibilitet ble vurdert. Basert på disse resultatene ble en innovativ avlesningsmetode foreslått, basert på mikrospoler kompatible med fabrikasjonsmetoder fra halvlederindustrien. Resultatene presentert i denne avhandlingen viser nye strategier for å representere informasjon i topologiske spinsolitoner og en avlesningsmetode som kan generaliseres til andre materialer. Dette demonstrerer nye anvendelser av spinsolitoner innen spintronisk teknologi.