Skyrmion Hall Effect Revealed by Direct Time-Resolved X-Ray Microscopy

Magnetic skyrmions are highly promising candidates for future spintronic applications such as skyrmion racetrack memories and logic devices. They exhibit exotic and complex dynamics governed by topology and are less influenced by defects, such as edge roughness, than conventionally used domain walls. In particular, their finite topological charge leads to a predicted "skyrmion Hall effect", in which current-driven skyrmions acquire a transverse velocity component analogous to charged particles in the conventional Hall effect. Here, we present nanoscale pump-probe imaging that for the first time reveals the real-time dynamics of skyrmions driven by current-induced spin orbit torque (SOT). We find that skyrmions move at a well-defined angle {\Theta}_{SH} that can exceed 30{\deg} with respect to the current flow, but in contrast to theoretical expectations, {\Theta}_{SH} increases linearly with velocity up to at least 100 m/s. We explain our observation based on internal mode excitations in combination with a field-like SOT, showing that one must go beyond the usual rigid skyrmion description to unravel the dynamics.Comment: pdf document arxiv_v1.1. 24 pages (incl. 9 figures and supplementary information

Etude de la dynamique d'un paroi de domaine dans les microfils magnétiques

La dynamique des paroi de domaine est utilisée dans de nombreux dispositifs de spintronique basés sur des micro et nanofils magnétiques pour la transmission et le stockage de l'information. La vitesse de la paroi de domaine est donc un des paramètres qui déterminent la vitesse de fonctionnement de ces dispositifs. Actuellement, un accent considérable est mis sur la compréhension de l'origine des grandes vitesses parois de domaines dans les microfils, qui peuvent atteindre 20 km/s. Dans ce travail, des fortes vitesses de parois ont été trouvées en présence de deux principaux facteurs: (i) une valeur relativement faible de l'anisotropie magnétique, et (ii) une distribution complexe de l'anisotropie magnétique due aux contraintes internes. En outre, la dynamique d'une paroi de domaine a été étudiée pour les échantillons à diamètre réduit, jusqu'à 1 μm. Il a été démontré que la dynamique d'une paroi de domaine est la même que dans les échantillons plus épais, ce qui confirme que les vitesses élevées ne sont pas seulement liées à la taille des microfils. L'observation directe de la structure de surface des parois de domaines par microscopie MOKE confirmé la forme de la paroi de domaine inclinée par rapport à l'axe du fil. Une nouvelle méthode a été proposée pour effectuer des observations sur des échantillons cylindriques. La structure inclinée de la paroi de domaine est jugée en partie responsable des valeurs élevées de vitesse apparente des parois de domaines mesurées par la méthode Sixte-Tonks dans ces microfils.The domain wall dynamics is used in many spintronic devices based on the uniaxial ferromagnetic wires to transport and store information. Therefore, the domain wall velocity is one of the main parameters that determine the operation speed of these devices. Recently, a big attention is being paid to amorphous glass-coated microwires due to the very high domain wall velocities that reach up to 20 km/s. In this work, the fast domain wall propagation in amorphous glass-coated microwires was found in the presence of two main factors: (i) relatively low magnetic anisotropy, (ii) complex geometry of magnetic anisotropies given by internal distribution of mechanical stresses. The domain wall dynamics was examined in amorphous glass-coated microwires of reduced diameter down to 1 μm. It was shown, that the domain wall dynamics in these wires is the same as in wires of bigger diameter. It proves that the high domain wall velocities in microwires are not the effect of microwire diameter value. The direct observation of the surface domain wall structure by use of MOKE microscope confirmed that the domain wall is inclined relatively to the main axis. A new method for magneto-optical observation of the samples with cylindrical geometry was proposed. The inclined structure of the domain wall was found to be partially responsible for the high apparent domain wall velocity measured by the Sixtus-Tonks method in microwires.Dynamika doménovej steny sa používa v mnohých spintronických zariadeniach na báze tenkých magnetických drôtoch na prenos a uchovávanie informácie. Rýchlosť doménovej steny je preto jedným z parametrov, ktoré určujú operačnú rýchlosť týchto zariadení. V súčasnosti je kladený značný dôraz na pochopenie pôvodu veľkých rýchlostí doménovej steny v mikrodrôtoch, kde rýchlosti dosahujú až 20 km/s. Veľké rýchlosti doménovej steny v mikrodrôtoch boli v tejto práci nájdené v prítomnosti dvoch faktorov: (i) relatívne nízka hodnota magnetickej anizotropie a (ii) zložitá distribúcia magnetických anizotropií daných vnútornými pnutiami. Navyše, dynamika doménovej steny bola študovaná aj na vzorkách s redukovaným priemerom až do 1 μm. Bolo ukázané, že dynamika doménovej steny je v týchto drôtoch rovnaká ako je tomu v hrubších vzorkách, čo potvrdzuje, že vysoké rýchlosti nie sú len efektom rozmeru amorfných, sklom potiahnutých mikrodrôtoch. Priame pozorovania povrchovej štruktúry doménovej steny pomocou MOKE mikroskopu potvrdili naklonený tvar doménovej steny vzhľadom na os drôtu. Bola navrhnutá nová metóda na vykonávanie magneto-optických pozorovaní valcových vzoriek. Naklonený tvar doménovej steny bol nájdený ako jeden z faktorov umožňujúcich zdanlivo veľké rýchlosti doménovej steny meraných Sixtusovou-Tonkosvou metódou na mikrodrôtoch

Štúdium pohybu rýchlej doménovej steny v tenkých magnetických drôtoch

The domain wall dynamics is used in many spintronic devices based on the uniaxial ferromagnetic wires to transport and store information. Therefore, the domain wall velocity is one of the main parameters that determine the operation speed of these devices. Recently, a big attention is being paid to amorphous glass-coated microwires due to the very high domain wall velocities that reach up to 20 km/s. In this work, the fast domain wall propagation in amorphous glass-coated microwires was found in the presence of two main factors: (i) relatively low magnetic anisotropy, (ii) complex geometry of magnetic anisotropies given by internal distribution of mechanical stresses. The domain wall dynamics was examined in amorphous glass-coated microwires of reduced diameter down to 1 μm. It was shown, that the domain wall dynamics in these wires is the same as in wires of bigger diameter. It proves that the high domain wall velocities in microwires are not the effect of microwire diameter value. The direct observation of the surface domain wall structure by use of MOKE microscope confirmed that the domain wall is inclined relatively to the main axis. A new method for magneto-optical observation of the samples with cylindrical geometry was proposed. The inclined structure of the domain wall was found to be partially responsible for the high apparent domain wall velocity measured by the Sixtus-Tonks method in microwires.La dynamique des paroi de domaine est utilisée dans de nombreux dispositifs de spintronique basés sur des micro et nanofils magnétiques pour la transmission et le stockage de l'information. La vitesse de la paroi de domaine est donc un des paramètres qui déterminent la vitesse de fonctionnement de ces dispositifs. Actuellement, un accent considérable est mis sur la compréhension de l'origine des grandes vitesses parois de domaines dans les microfils, qui peuvent atteindre 20 km/s. Dans ce travail, des fortes vitesses de parois ont été trouvées en présence de deux principaux facteurs: (i) une valeur relativement faible de l'anisotropie magnétique, et (ii) une distribution complexe de l'anisotropie magnétique due aux contraintes internes. En outre, la dynamique d'une paroi de domaine a été étudiée pour les échantillons à diamètre réduit, jusqu'à 1 μm. Il a été démontré que la dynamique d'une paroi de domaine est la même que dans les échantillons plus épais, ce qui confirme que les vitesses élevées ne sont pas seulement liées à la taille des microfils. L'observation directe de la structure de surface des parois de domaines par microscopie MOKE confirmé la forme de la paroi de domaine inclinée par rapport à l'axe du fil. Une nouvelle méthode a été proposée pour effectuer des observations sur des échantillons cylindriques. La structure inclinée de la paroi de domaine est jugée en partie responsable des valeurs élevées de vitesse apparente des parois de domaines mesurées par la méthode Sixte-Tonks dans ces microfils.Dynamika doménovej steny sa používa v mnohých spintronických zariadeniach na báze tenkých magnetických drôtoch na prenos a uchovávanie informácie. Rýchlosť doménovej steny je preto jedným z parametrov, ktoré určujú operačnú rýchlosť týchto zariadení. V súčasnosti je kladený značný dôraz na pochopenie pôvodu veľkých rýchlostí doménovej steny v mikrodrôtoch, kde rýchlosti dosahujú až 20 km/s. Veľké rýchlosti doménovej steny v mikrodrôtoch boli v tejto práci nájdené v prítomnosti dvoch faktorov: (i) relatívne nízka hodnota magnetickej anizotropie a (ii) zložitá distribúcia magnetických anizotropií daných vnútornými pnutiami. Navyše, dynamika doménovej steny bola študovaná aj na vzorkách s redukovaným priemerom až do 1 μm. Bolo ukázané, že dynamika doménovej steny je v týchto drôtoch rovnaká ako je tomu v hrubších vzorkách, čo potvrdzuje, že vysoké rýchlosti nie sú len efektom rozmeru amorfných, sklom potiahnutých mikrodrôtoch. Priame pozorovania povrchovej štruktúry doménovej steny pomocou MOKE mikroskopu potvrdili naklonený tvar doménovej steny vzhľadom na os drôtu. Bola navrhnutá nová metóda na vykonávanie magneto-optických pozorovaní valcových vzoriek. Naklonený tvar doménovej steny bol nájdený ako jeden z faktorov umožňujúcich zdanlivo veľké rýchlosti doménovej steny meraných Sixtusovou-Tonkosvou metódou na mikrodrôtoch

Štúdium pohybu rýchlej doménovej steny v tenkých magnetických drôtoch

La dynamique des paroi de domaine est utilisée dans de nombreux dispositifs de spintronique basés sur des micro et nanofils magnétiques pour la transmission et le stockage de l'information. La vitesse de la paroi de domaine est donc un des paramètres qui déterminent la vitesse de fonctionnement de ces dispositifs. Actuellement, un accent considérable est mis sur la compréhension de l'origine des grandes vitesses parois de domaines dans les microfils, qui peuvent atteindre 20 km/s. Dans ce travail, des fortes vitesses de parois ont été trouvées en présence de deux principaux facteurs: (i) une valeur relativement faible de l'anisotropie magnétique, et (ii) une distribution complexe de l'anisotropie magnétique due aux contraintes internes. En outre, la dynamique d'une paroi de domaine a été étudiée pour les échantillons à diamètre réduit, jusqu'à 1 m. Il a été démontré que la dynamique d'une paroi de domaine est la même que dans les échantillons plus épais, ce qui confirme que les vitesses élevées ne sont pas seulement liées à la taille des microfils. L'observation directe de la structure de surface des parois de domaines par microscopie MOKE confirmé la forme de la paroi de domaine inclinée par rapport à l'axe du fil. Une nouvelle méthode a été proposée pour effectuer des observations sur des échantillons cylindriques. La structure inclinée de la paroi de domaine est jugée en partie responsable des valeurs élevées de vitesse apparente des parois de domaines mesurées par la méthode Sixte-Tonks dans ces microfils.The domain wall dynamics is used in many spintronic devices based on the uniaxial ferromagnetic wires to transport and store information. Therefore, the domain wall velocity is one of the main parameters that determine the operation speed of these devices. Recently, a big attention is being paid to amorphous glass-coated microwires due to the very high domain wall velocities that reach up to 20 km/s. In this work, the fast domain wall propagation in amorphous glass-coated microwires was found in the presence of two main factors: (i) relatively low magnetic anisotropy, (ii) complex geometry of magnetic anisotropies given by internal distribution of mechanical stresses. The domain wall dynamics was examined in amorphous glass-coated microwires of reduced diameter down to 1 m. It was shown, that the domain wall dynamics in these wires is the same as in wires of bigger diameter. It proves that the high domain wall velocities in microwires are not the effect of microwire diameter value. The direct observation of the surface domain wall structure by use of MOKE microscope confirmed that the domain wall is inclined relatively to the main axis. A new method for magneto-optical observation of the samples with cylindrical geometry was proposed. The inclined structure of the domain wall was found to be partially responsible for the high apparent domain wall velocity measured by the Sixtus-Tonks method in microwires.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Rôle de la distribution d'anisotropie magnétique uniaxiale sur l'inclinaison des parois dans des microfils amorphes gainés de verre

International audienceMagnetic properties of highly magnetostrictive amorphous glass-coated microwires are strongly correlated to the presence of a glass coating that introduces a spatially inhomogeneous stress field distribution. We investigate the influence of mechanical stresses on the inclination of magnetic domain walls in magnetic microwires. Magneto-optical Kerr effect imaging is used to compare the tilted orientation of the domain wall shape in as-cast and annealed microwires. Angular dependencies of magnetization loops measured by alternating gradient field magnetometry reveal that the change of domain wall tilting with annealing is related to the decrease of a magnetic anisotropy with axial orientation. Finally, micromagnetic simulations are used to show that sufficiently high uniaxial magnetic anisotropy gives rise to the presence of the observed charged domain walls with tilted orientation

Manipulation de la forme des parois magnétiques dans les microfils par recuit via un courant direct

International audienceHere, we present magneto-optical studies of a surface domain wall (DW) shape in as-cast and heat-treated glass-coated microwires (MW). Technique optimized for the study of thin magnetic cylinders is used for local mapping of the magnetization process on wire's circumference. Consequently, the shape of the surface DW can be visualized at an arbitrary point along the wire's length. Samples undergo sequential heat treatment, and DW shape in the same sample before and after heat treatment is compared. Variation in DW tilting angle and length is observed as a result of annealing.Nous présentons une étude par magnéto-optique de la forme des parois magnétiques dans des microfils magnétiques gainés de verre, tant dans l'état brut de fabrication qu'après traitement thermique. La technique magnéto-optique utilisée permet de remonter au profil d'aimantation à la surface des microfils. La position de la paroi peut ainsi être visualisée à toute position sur cette surface. Les échantillons ont subi une série de recuits thermiques, et les positions des parois avant et après chaque traitement ont été comparées. Nous avons observé une variation de l'angle d'inclinaison de la paroi, et de sa longueur selon l'axe du fil, suite aux recuits

Enhanced Magneto-optic Kerr Effect and Magnetic Properties of CeY[subscript 2]Fe[subscript 5]O[subscript 12] Epitaxial Thin Films

The magnetic and magneto-optic properties of epitaxial CeY[subscript 2]Fe[subscript 5]O[subscript 12] (Ce ∶ YIG) and Y[subscript 3]Fe[subscript 5]O[subscript 12] (yttrium iron garnet or YIG) thin films grown by pulsed laser deposition on gadolinium gallium garnet substrates are determined. An enhanced Faraday effect is known to result from Ce substitution into the yttrium iron garnet lattice, and here we characterize the magneto-optic Kerr effect, as well as the magnetic hysteresis and ferromagnetic resonance response that result from the Ce substitution. X-ray diffraction analysis reveals a high crystallographic quality for the Ce ∶ YIG films. Measurements of the magneto-optic Kerr effect for two different wavelengths demonstrate that the Ce ∶ YIG exhibits an up-to-tenfold increase in Kerr rotation compared to YIG. The Ce ∶ YIG has a slightly larger magnetic moment, as well as increased magnetic damping and higher magnetic anisotropy compared to YIG with a dependence on the crystalline orientation. By specific cerium substitution in YIG, our results show that the engineering of a large Kerr effect and tailored magnetic anisotropy becomes possible as required for magneto-optically active spintronic devices.Deutsche Forschungsgemeinschaft (SPP 1538 "Spin Caloric Transport")Graudate School of Excellence Materials Science in Mainz (GSC 266)Germany. Federal Ministry of Education and Science ("Mainz-MIT Seed Fund" BMBF 01DM12012)European Commission (IFOX, NMP3-LA-2012246102)European Commission (INSPIN, FP7-ICT-2013-X 612759)European Commission (MASPIC, ERC-2007-StG 208162)National Science Foundation (U.S.

Observation of room-temperature magnetic skyrmions and their current-driven dynamics in ultrathin metallic ferromagnets

Magnetic skyrmions are topologically protected spin textures that exhibit fascinating physical behaviours and large potential in highly energy-efficient spintronic device applications. The main obstacles so far are that skyrmions have been observed in only a few exotic materials and at low temperatures, and fast current-driven motion of individual skyrmions has not yet been achieved. Here, we report the observation of stable magnetic skyrmions at room temperature in ultrathin transition metal ferromagnets with magnetic transmission soft X-ray microscopy. We demonstrate the ability to generate stable skyrmion lattices and drive trains of individual skyrmions by short current pulses along a magnetic racetrack at speeds exceeding 100 m s-1as required for applications. Our findings provide experimental evidence of recent predictions and open the door to room-temperature skyrmion spintronics in robust thin-film heterostructures.United States. Department of Energy. Office of Basic Energy Sciences (Award DE-SC0012371