Investigation of magnetic skyrmions in confined thin films.

Investigation of magnetic skyrmions in confined thin films.

Source

Master's thesis

Author

Al-Sadi, Yasser Saleem Saif.

Other titles

دراسة السكيرميونات المغناطيسية في الأغشية الرقيقة المحصورة

Country

Oman

City

Muscat

Publisher

Sultan Qaboos University

Gregorian

2024

Language

English

Subject

Magnetic skyrmions

Thin Films

Thesis Type

Master's thesis

English abstract

Magnetic skyrmions are nano-sized vortex-like spin textures and topological solitons. First observed in 2009, they have unusual physical properties, making them promising candidates for application in magnetic storage devices and spintronics. Many studies have confirmed the existence of skyrmions in a wide variety of magnetic materials including thin films and bulk crystals. These topological spin textures can be created and investigated by using different parameters including electric current, spin waves, temperature, electric field, and magnetic field. However, the study of the effect of the confined structure of thin films on the formation and stability of skyrmions in (Pt/Co/W) multilayers of thin films has been lacking. The confinement can be used as microwires in applications and understanding fundamental physics. In this study, our purpose is to investigate the influence of confined structures on the creation of skyrmions under the same magnetic field and explore other topological magnetic textures that are formed in the sample. In this work, (Pt/Co/W) multilayers with confined structures of the same length and different widths have been investigated. The investigation was performed at a particular magnetic field by magnetic force microscopy. The MFM results reveal a remarkable effect of the confined geometry on the generation of skyrmions. The skyrmions formation has been observed for 5 µm micro-track while the coexistence of magnetic domains, skyrmions, antiskyrmions, and skyrmioniums has been found in 10, 25, 50, 100, and, 200 µm micro-tracks. Our MFM images demonstrate that the skyrmioniums can be generated by the overlapping of skyrmion-antiskyrmion pairs. This observation was supported by micromagnetic simulation performed in another study. However, skyrmioniums have not been found in the 5 µm micro-track which suggests that the skyrmioniums degenerate because of the confinement.

Arabic abstract

السكيرميونات المغناطيسية عبارة عن بنية سبينية شبية بشكل الدوامة بحجم النانو وهي سوليتون طوبولوجي. تمت ملاحظتها لأول مرة في عام ،2009 وتتميز بخصائص فيزيائية غير عادية، مما يجعلها مرشحة وواعدة لالستخدام في تطبيقات أجهزة التخزين المغناطيسية والسبينترونكس. أكدت العديد من الدراسات وجود السكيرميونات في مجموعة واسعة من المواد المغناطيسية بما في ذلك الاغشية الرقيقة التي تتكون من طبقات متعددة من مواد مختلفة. ميزة الاغشية الرقيقة على المواد البلورية هي في استخداماتها في التطبيقات الصناعية. يمكن إنشاء هذه البنى المغزلية الطوبولوجية ودراستها باستخدام متغيرات مختلفة بما في ذلك التيار الكهربائي، والموجات السبينية، ودرجة الحرارة، والمجال الكهربائي، والمجال المغناطيسي. ولكن، ال تزال هناك حاجة لدراسة تأثير البنى المحصورة لألغشية الرقيقة التي تتكون من طبقات متعددة من البلاتينيوم والكوبالت والتنجستن على تكوين واستقرار السكيرميونات في هذه الاغشية. إن فهم تكوين السكيرميونات واستقرارها له أهمية كبيرة في البنى المحصورة. يمكن استخدام البنى المحصورة كأسالك مايكروية في التطبيقات الصناعية أو لدراسة ديناميكية السكيرميونات في هذه الاسالك. هدفنا في هذه الدراسة هو دراسة تأثير البنى المحصورة على توليد السكيرميونات تحت نفس المجال المغناطيسي واستكشاف البنى المغناطيسية الطوبولوجية الاخرى الذي تتكون في العينة. في هذا العمل تم دراسة طبقات متعددة من (W/Co/Pt (ذات هياكل محصورة أو مسارات لها نفس الطول ومختلفة في العرض. تم إجراء الدراسة تحت تأثير مجال مغناطيسي معين بواسطة مايكروسكوب القوة المغناطيسية. تكشف نتائج مايكروسكوب القوة المغناطيسية عن تأثير ملحوظ للبنى المحصورة على توليد السكيرميونات. تمت مالحظة تكوين السكيرميونات في المسار الذي يبلغ عرضه 5 ميكرومتر بينما تم العثور على أنواع مختلفة من البنى المغناطيسية الطوبولجية الاخرى بالاضافة الى وجود السكيرميون مثل ضديد السكيرميون والسكيرمينيوم في المسارات ذات العرض 10 و 25 و 50 و 100 و 200 ميكرومتر. توضح صور مايكروسكوب القوة المغناطيسية أنه يمكن إنشاء السكيرمينيوم من خلال تداخل السكرميون مع ضديده الموجودة على مسافات مختلفة بسبب قوة الجذب. وقد تم دعم هذه الملاحظة من خلال المحاكاة المايكرومغناطيسية التي أجريت في دراسة أخرى. ومن الجدير بالذكر أنه لم يتم العثور على السكيرمينيوم في المسار الصغير البالغ طوله 5 ميكرومتر مما يشير إلى أن السكيرمينيوم يتحلل بسبب تأثير البنى المحصورة.