Everschor, Karin (2012). Current-Induced Dynamics of Chiral Magnetic Structures : Skyrmions, Emergent Electrodynamics and Spin-Transfer Torques. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

In magnets without inversion symmetry weak spin-orbit coupling leads to the formation of smooth twisted magnetic structures like helices with a long period. In 2009, a new chiral magnetic phase was observed in the helimagnet manganese silicide (MnSi) within a certain temperature and magnetic field range. It turned out that this phase is a lattice of skyrmions which are topologically stable whirl-lines. In the first Part of this Thesis, we review the discovery of the skyrmion lattice in MnSi, its manifestation in other chiral magnets and in thin films. Furthermore, we review the Ginzburg-Landau theory for chiral magnetic structures describing their equilibrium properties, followed by a discussion of additional terms that orient and distort the skyrmion lattice. Finally, we analyze the crystalline nature of the skyrmion lattice. In the second Part of this Thesis, we investigate the interplay of electric currents and magnetic structures in bulk materials, in particular the skyrmion phase. Electrons traversing a spatially or temporally inhomogeneous magnetization configuration pick up a Berry phase which, rewritten as an Aharonov-Bohm phase arising from emergent magnetic and electric fields, leads to an effective Lorentz force acting on the electrons. For the skyrmion lattice these emergent fields are particularly interesting as the emergent magnetic field is quantized due to the topology of the skyrmions. On the other hand, the electric current induces forces on the magnetic texture via spin-tranfer torques, describing the transfer of angular momentum from the conduction electrons to the local magnetic structure. We show that skyrmions act very sensitively to electric currents, and we study their current-induced dynamics, i.e. the translational motion as well as rotations of the topologically stable knots. This research was, is and will be done in cooperation with recent experiments performed by the group of Prof. Dr. Christian Pfleiderer from the Technical University of Munich. The very efficient coupling of skyrmions to electric currents was experimentally confirmed by an ultra-low threshold current density of about 10^6 A/m^2 above which spin-transfer torque effects were observed. It is about five order of magnitude smaller compared to that of other present-day spin-torque effects like domain wall motion. Hence, skyrmions are expected to be excellent systems to study the interplay of magnetism and electric currents, thereby advancing the general understanding of spin-transfer torque effects. We further think that the gained knowledge from such studies might be useful for future spintronic devices.

Item Type: Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:
AbstractLanguage
In chiralen, magnetischen Materialien bilden sich auf Grund der schwachen Spin-Bahnkopplung getwistete magnetische Strukturen, wie zum Beispiel magnetische Helizes mit einer langen Periodenlänge aus. Im Jahre 2009 wurde eine neue magnetische Struktur bestehend aus topologisch stabilen "Wirbel-Linien", das sogenannte Skyrmiongitter, in Mangansilizium (MnSi) in einem gewissen Temperatur- und Magnetfeldbereich entdeckt. Im ersten Teil dieser Arbeit werden wir uns mit der Entdeckung des Skyrmiongitters in MnSi sowie dessen Beobachtung in weiteren Materialien und in dünnen Filmen befassen. Zudem erläutern wir die Ginzburg-Landau-Theorie für chirale magnetische Strukturen im Gleichgewicht und erweitern diese um Terme, die für eine Ausrichtung und Verzerrung des Skyrmiongitters sorgen. Im letzten Kapitel dieses Teils analysieren wir den kristallinen Charakter des Skyrmiongitters. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit untersuchen wir die wechselseitige Beeinflussung zwischen magnetischen Strukturen, insbesondere dem Skyrmiongitter, und elektrischen Strömen. Leitungselektronen, die sich durch eine räumlich oder zeitlich inhomogene Magnetisierungsanordnung bewegen, erhalten eine Berry-Phase. Diese lässt sich als Aharonov-Bohm-Phase, hervorgerufen durch emergente elektrische und magnetische Felder, interpretieren und führt zu einer effektiven Lorentz-Kraft auf die Elektronen. Für Skyrmionen sind diese emergenten Felder besonders interessant, da sich zum Beispiel herausstellt, dass in diesem Fall das emergente magnetische Feld quantisiert ist. Im Gegenzug übt auch der elektrische Strom Kräfte auf das Skyrmiongitter durch Übertragung von Drehmomenten der Leitungselektronen auf die lokale magnetische Textur aus. Wir zeigen, dass Skyrmionen sehr leicht auf elektrische Ströme reagieren und studieren deren strominduzierte Dynamik, d.h. wir betrachten die translatorische Bewegung sowie die Rotation der topologisch stabilen Wirbel. Diese Arbeit war, ist und wird in Zusammenarbeit mit Experimenten erfolgen, die von der Arbeitsgruppe von Herrn Prof. Dr. Christian Pfleiderer von der Technischen Universität München durchgeführt wurden bzw. werden. Die sehr effektive Kopplung von Skyrmionen und elektrischen Strömen wurde experimentell durch eine sehr niedrige Stromdichte von 10^6 A/m^2 bestätigt, oberhalb derer die wechselseitigen Beeinflussungen beobachtbar sind. Diese ist ca. fünf Größenordnungen kleiner als es in bisherigen Experimenten mit anderen magnetischen Anordnungen der Fall war. Daher stellen Skyrmionen exzellente Systeme dar, um das Wechselspiel zwischen Magnetismus und elektrischen Strömen zu untersuchen. Desweiteren denken wir, dass die aus solchen Studien gewonnenen Erkenntnisse in der Zukunft für die Spintronik-Technologie von Nutzen sein könnten.German
Creators:
CreatorsEmailORCID
Everschor, Karinke@thp.uni-koeln.deUNSPECIFIED
URN: urn:nbn:de:hbz:38-48119
Subjects: Natural sciences and mathematics
Physics
Uncontrolled Keywords:
KeywordsLanguage
Current-Induced Dynamics; Chiral Magnetic Structures; Skyrmion; Emergent Electrodynamic; Spin-Transfer Torques;English
Strominduzierte Dynamik; Chirale magnetische Strukturen; Skyrmion; Emergente Elektrodynamik; Spin-Transfer-TorqueGerman
Faculty: Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions: Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Institute for Theoretical Physics
Language: English
Date: 2012
Date of oral exam: 21 June 2012
Referee:
NameAcademic Title
Rosch, AchimProf. Dr.
Vojta, MatthiasProf. Dr.
Blügel, StefanProf. Dr.
Full Text Status: Public
Date Deposited: 13 Aug 2012 15:09
URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4811

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