Simulation of three-dimensional skyrmions in confined geometries

Simulation de skyrmions tridimensionnels dans géométries confinées

Swapneel Amit Pathak (1)

1 IPCMS - Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg

In non-centrosymmetric magnetic material, the Dzyaloshinskii-Moriya Interaction favors the formation of chiral magnetization structures such as helical states and skyrmions. In this thesis, the effect of three-dimensional (3D) geometric confinement on such chiral structures is investigated with finite-element micromagnetic simulations. As a first example, an exhaustive study discusses the magnetization states forming in FeGe nanospheres as a function of the particle size and the applied field. A surprisingly large multiplicity of possible magnetization states is found, which could be a useful feature for multi-state memory devices. The effect of 3D confinement is then studied in a different context, demonstrating that circular pockets in extended films can act as pinning sites for skyrmions. Finally, it is shown that geometric confinement effects can also be used to guide electrically driven skyrmions in shift-register type devices, thereby preventing unwanted lateral deflections.

Dans les matériaux magnétiques non centrosymétriques, l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya favorise les structures d'aimantation chirales telles que les états hélicoïdaux et les skyrmions. Cette thèse étudie l’effet du confinement géométrique tridimensionnel (3D) sur de telles structures en utilisant des simulations micromagnétiques par éléments finis. Une étude exhaustive examine les états d’aimantation se formant dans les nanosphères de FeGe en fonction de leur taille et du champ appliqué. On trouve une grande multiplicité d'états d’aimantation, ce qui pourrait être utile pour les dispositifs de mémoire multi-états. Il est ensuite démontré que des poches circulaires dans des couches étendues peuvent, grâce à l'effet du confinement 3D, agir comme sites de piégeage pour les skyrmions. Enfin, il est montré que des effets de confinement peuvent guider des skyrmions déplacés électriquement dans des dispositifs de type registre à décalage, évitant ainsi des déflexions Indésirables.

Mots clés: Skyrmions; Dzyaloshinskii-Moriya Interaction; Chiral magnetization structures

Mots clés: Skyrmions; Interaction Dzyaloshinskii-Moriya; Structures d'aimantation chirales

Domaines: Physique [physics]

Swapneel Amit Pathak. Simulation of three-dimensional skyrmions in confined geometries. Physics [physics]. Université de Strasbourg, 2021. English. ⟨NNT : 2021STRAE012⟩. ⟨tel-03976502⟩