SE1450442A1 - Spinnoscillator-anordning - Google Patents

Abstract

Sammandrag Uppfinningen som avser att anvanda spinnovergangsmoment under en nano-kontakt pa en magnetisk tunnfilm med vinkelrat magnetisk anisotropi, astadkommer generering av dissipativa magnetiska droppsolitoner och magnetiska droppskyrmioner och redogor for deras talrika dynamiska egenskaper. Mikromagnetiska simuleringar identifierar betingelserna for att nukleera och driva dropp-skyrmioner over ett stort omrade av strommar och falt. Mikromagnetiska simuleringar visar aven hur droppar och dropp-skyrmioner kan anvandas som skyrmion-injektorer och —detektorer i skyrmion-baserade magnetminnen. Dropp- skyrmionen kan styras genom att anvanda bade strom och magnetfalt, och antas ha tillampningar i spinntronik, magnetik, skyrmionik och PMA-baserade domanvagganordningar. Fig.

Description

TEKNISKT OMRADE Uppfinningen avser en spinnoscillator-anordning som omfattar en spinnoscillator, och anvandning av en sadan anordning.

BAKGRUND TILL UPPFINNINGEN Spinnoscillator-anordningar, sasom spinn-moment-oscillatorer (STO:er) som anvander spinn-vinkelmoment är kanda.

Dissipativa magnetiska dropp-solitoner (droppar) är lokaliserade spinn-vags-excitationer som ges av en balans mellan magnetisk anisotropi, utbyte, spinn-overforingsmoment och dampning. Droppar kan experimentellt astadkommas i spinnoscillator-anordningar.

Droppar kan uppvisa exotisk dynamik, sasom tidsperiodisk andning och omkretsperturbationer vilka gar realisering och praktisk anvandning ornOjlig.

FOr att kunna anvandas effektivt i spinnoscillatorer kraver typiskt droppar aven saval en vinkelrat spinn-overgangs-moment-komponent for nukleation och styrning, som aven en spin polarisationskomponent i-plan for verksam generering av mikrovagsspanning.

Pga. symmetrin av deras spinn-textur injektionslases droppar inte verksamt av mikrovagsstrommar.

Magnetiska skyrmioner (skyrmioner) är partikel-lika topologiska solitoner som ursprungligen upptacktes i bulk-ferromagneter som saknar inversions-symmetri. Skyrmionernas spinntextur harstammar fran en balans mellan den vanliga ferromagnetiska utbyteskopplingen, Dzyaloshinskii-Moriya interaktionen (DMI), och Zeeman energin fran det palagda faltet. Skyrmioner har foreslagits som nasta generations magnetiska informationsbarare i ultratunna magnetiska nanotradar dar asymmetriska granssnitt astadkommer den nOdvandiga DMI:n.

Saledes finns det fortfarande ett behov av aft losa detta, vilket inte har varit mojligt forran nu. 1 KORTFATTAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Ett andamal med uppfinningen är att tillhandahalla en spinnoscillator-anordning med en styrbar dissipativ magnetisk dropp-skyrmion.

Ett annat andamal med uppfinningen är att tillhandahalla ett skyrmionminne dar dissipativa magnetiska dropp-solitoner och dissipativa magnetiska dropp-skyrmioner nukleeras genom att anvanda en spinnoscillator-anordning som i sin tur anvands for att injicera vanliga skyrmioner in i en magnetisk tunnfilm.

Ytterligare ett andarnal med uppfinningen är att tillhandahalla ett skyrmionminne dar en magnetisk dropp-soliton anvands i en spinnoscillator-anordning for att detektera en narliggande vanlig skyrmion.

Enligt en utforingsform av uppfinningen tillhandahalls en spinnoscillator-anordning som innefattar en spinnoscillator med en magnetisk film med vinkelrat magnetisk anisotropi.

Spinnoscillator-anordningen innefattar medel, eller är i sig sjalv, konfigurerad till att generera magnetiska dropp-solitoner och magnetiska dropp-skyrmioner, dar namnda medel är konfigurerat till att styra dropp-solitonerna och dropp-skyrmionerna genom att p5lagga strom och/eller magnetiska falt.

En fordel med uppfinningen jamfort med vad som tills nu beskrivits är att en tillrackligt stark, tillrackligt stabil, och anvandbar signal kunde tillhandahallas av anordningen enligt uppfinningen. En annan fordel är hog uteffekt och att intrikata dynamiker s5som auto-modulation kan undertryckas vilket gar realisering och praktisk anvandning mojlig.

En ytterligare fordel med uppfinningen är den kontrollerade nukleationen och injektionen av skyrmioner i ett skyrmionminne saval som kontrollerad detektion av skyrmioner i ett skyrmionminne.

KORTFATTAD FIGURBESKRIVNING Sardrag och fordelar med uppfinningen framgar av foljande detaljerade beskrivning och affoljande ritningsfigurer, av vilka: FIG. l'A visar en spinnoscillator-anordning enligt en utfOringsform av uppfinningen i en vy fran sidan, FIG. 1—A visar en spinnoscillator-anordning enligt en alternativ utforingsform av uppfinningen i en vy fran sidan, FIG. 1 '13 visar en spinnoscillator-anordning enligt en annan 2 utforingsform av uppfinningen i en vy frail sidan, FIG. 1"C visar en alternativ utforingsform; och FIG. 1"D-F visar alternativa utforingsformer.

FIG. 1A-D visar nukleation och falt-toggling (eng. toggling) hos en droppskyrmion; FIG. 2A-E visar nukleation och strombromsning hos en droppskyrmion; FIG. 3A-B visar installning av droppskyrmionen; FIG. 4A-B visar nukleations- och stabilitetsfasdiagram; FIG. 5A-B visar dropp- och droppskyrmion-injektions16sning; och FIG. 6a-d visar droppnukleation och skyrmionavlasning.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Utforingsformer av uppfinningen kommer beskrivas sasom foljer, med borjan av en detaljerad forklaring av droppsolitoner, skyrmioner, och droppskyrmioner och en del grundlaggande principer som hanfOr sig dartill. Specifika hanvisningar till en referenslista indikeras inom hakparenteser.

Fig.visar en spinnoscillator-anordning enligt en utforingsform av uppfinningen.

Spinnoscillator-anordningen 1 innefattar en spinoscillator 2 med ett magnetiskt skikt 3 med vinkelrat magnetisk anisotropi. Spinnoscillator-anordningen 1, och/eller medel 4, är konfigurerade till att generera magnetiska droppsolitoner 5 och/eller magnetiska droppskyrmioner. Spinnoscillatom 2 är konfigurerad till att styra dropp-solitonerna 5 och droppskyrmionerna genom att injicera strom 'dc, och/eller p5lagga magnetfalt. I denna utforingsform, är spinnoscillatorn 2 en spinnmomentoscillator, STO, dar en nano-kontakt, NC, 6 är anordnad pa den magnetiska filmen 3 vilket ger en sa-kallad "NC-STO" 2, 6.

Namnda medel 4 kan vara konfigurerat till att palagga spinnovergangsmoment, STT, under namnda NC 6.

Spinnoscillatorn 2 uppvisar ett aktivt magnetiskt skikt 3 med magnetiska egenskaper sasom att kunna generera magnetiska droppsolitoner 5 och/eller magnetiska droppskyrmioner. En sadan egenskap for generering av magnetiska droppsolitoner och droppskyrmioner är en vinkelrat magnetisk anisotropi som är stor nog till att orientera magnetiseringen av det aktiva magnetiska skiktet 3 i en jamviktsriktning M vinkelratt mot ett plan av skikt 3. Alternativt kan det aktiva magnetiska skiktet 3 uppvisa en vinklad anisotropi, eller en kombination av anisotropier, for att tillhandahalla en jamviktsorienteringsriktning ut-ur-plan hos det aktiva magnetiska skiktet 3. Generationen av den magnetiska droppsolitonen 5 och/eller droppskyrmionen kraver aven medel for att overvinna spinnvagsdampning i det aktiva 3 omradet av det aktiva magnetiska skiktet 3. Sadana medel inkluderar SIT eller spinnpumpning som anvander spinn-Hall-effekten.

Typiskt injiceras, vid drift, spinnpolariserad strOm Idc is genom namnda NC 6 och exciterar magnetiseringsoscillationer hos ett fritt skikt 9, i detta fall ett skyddsskiktdirekt under namnda NC 6. Dessa oscillationer genererar spinnvagor i det fria skiktet 8 som utbreder sig bort fran namnda NC 6. I denna anordning flyter strom vinkelratt mot stapelns skikt 9, 3, 7, 8, dar ett fritt polariserande fast skikt 8 fungerar som en stromspinnpolariserare.

Alternativt kan spinnoscillatorn 2 ha sitt aktiva magnetiska skikt 3 under mellanlaggsskiktet och dess fasta polariserande skikt 8 ovanfor mellanlaggsskiktet, dvs. skikt 3 och 8 byter platser.p2] Spinnoscillatorn 2 genererar en utsignal Vrf genom en magnetresistiv effekt (mellanlaggsskikt 7 är metall) sasom "giant magnetoresistans, tunnlande magnetresistans skikt (mellanlaggsskikt 7 är en tunlingsbarriar, eller anisotrop magnetresistans, eller en kombination darav). Spinnoscillatorn 2 kan aven generera en utsignal Vrf genom magnetresistiva effekter i andra angransande material dar det tidsvarierande faltet fran namnda magnetiska droppsoliton 5 modulerar resistansen eller nagon annan egenskap hos det angransande materialet.

FIG. 1—A visar en alternativ utforingsform, dar det aktiva magnetiska skiktet 3 och det polariserande fasta skiktet 8 är i alternativa lagen mot lagena som visas i FIG. l'A.

FIG. 1'13 visar en alternativ utfOringsform, dar toppskiktet 9 och det magnetiska skiktet 3 är mindre an omgivande skikt.

FIG. 1"C visar en alternativ utforingsform.

Enligt en alternativ utforingsform av uppfinningen är spinnoscillatorn 2 baserad pa en spinnHall Effekt, istallet for SIT. Denna utforingsform kommer emellertid inte att forklaras narmare i detta sammanhang.

Enligt en utforingsform av uppfinningen, är namnda NC-STO 2, 6 baserad pa ortogonala pseudospinn-ventil-stackar; enligt en annan pa vinkelrata pseudospinn-ventil-stackar, och enligt ytterligare en pa vinklade pseudospinn-ventil-stackar. De vinklade pseudospinn-ventil- stackarna kan vara tillverkade av skikt med olika kristallina karaktaristika. 4 Alternativt kan, namnda NC-STO 2, 6 vara baserad pa en "magnetic tunnel junction", MTJ. dar de vinklade pseudospinn-ventil-stackarna är tillverkade av tva eller flera skikt lutande med olika vinklar.[J3] Alla dessa magnetiska egenskaper kan uppvisa en variation i rymden i alla laterala riktningar.

En mikrovagsstrom, eller ett mikrovagsfalt, eller en kombination av mikrovagsstrom och —falt, vid samma nominella frekvens som spinnoscillator-anordningen kan aven tillhandahallas for aft forbattra den verkliga mikrovagssignalen hos spinnoscillator-anordningen.

Alternativt tillhandahalls en mikrovagsstrom, eller ett mikrovagsfalt, eller en kombination av mikrovagsstrom och —fait, vid nagon nominellt hogre oktav, eller deloktav, eller lagre deloktav av frekvensen hos spinnoscillator-anordningen for att forbattra den verkliga mikrovagssignalen hos spinnoscillator-anordningen.

Den tillhandahallna mikrovagsstrommen och/eller —faltet kan ursprungligen genereras av spinnoscillator-anordningen for att ge aterkoppling fran spinnoscillator-anordningen pa sig sjalv.

Ett magnetiskt falt eller en strom kan modulera arbetspunkten hos spinnoscillatoranordningen.

Spinnoscillator-anordningen kan anvandas for frequency shift keying. Typiska anvandningsomraden for en anordning som beskrivits enligt ovan kan vara i en eller flera av: spinntronik, magnetik, harddiskar (sarskilt lamplig for ett lashuvud), domanvaggsanordningar eller skyrmionbaserade minnesanordningar.

Nu hanvisas till FIG. la-d som forklarar arbetssattet for en NC-STO mera detaljerat kir en battre forstaelse av utforingsformerna som anges ovan, forutom spinnoscillatorn som baseras pa spin-hall-effekten, vilken inte kommer forklaras i detta sammanhang.

FIG. la-d Nukleation och faltbromsning av en droppskyrmion: En mikromagnetisk simulering av en NC-STO vid J = 2:5 * 8 A/cm2 som visar nukleation av en droppe, dess omvandling till en droppskyrmion, och efterfoljande faltstyrd bromsning mellan en droppskyrmion och en statisk skyrmion: FIG. la är en vy fran ovan av spinnstrukturen vid tio olika simuleringstider; den vita cirkeln indikerar nano-kontakten med en radie pa 15 nm; FIG. lb ar en vy fran ovan av den topologiska densiteten vid samma tidpunkter som i a; FIG. lc visar tidsspar av de tre magnetiseringskomponenterna som medelvarde over simuleringsomr5det (mx och my är i-plan, mz ut-ur-plan) med streckade vertikala linjer som motsvarar de tio ogonblicksbilderna ovan; FIG. id är ett tidsspar av den totala energin och skyrmiontalet. Systemet bildar forst en droppe, vilken kvarblir stabil under flera perioder tills omkring t = 0:2 ns nar den blir okat mottaglig for anti-skyrmion perturbationer (S < 0). Dessa perturbationer lamnar slutligen vag for (t = 0:3 ns) bildandet av en droppskyrmion med S = 1. Nar det p5lagda faltet stangs av vid t = 0:7 ns, upploses snabbt droppskyrmionen till en statisk skyrmion. Om faltet aterigen sib's pa, kan skyrmionen omvandlas till en droppskyrmion p5 ett reversibelt satt. Om slutligen bade faltet och strommen slas av drar skyrmionen ihop sig till sin jamviktsstorlek som ges av materialparametrarna.

FIG. 2a-d Nukleation och strOm-toggling av en dropp-skyrmion: En mikromagnetisk simulering av samma NC-STO som i FIG. la-d vid ett palagt falt pa 0:3 kOe visar nukleationen av en droppe, a droppskyrmion, hallbarheten av den senare vid laga stromtatheter, och dess efterfoljandethe annihilation d5 stromtatheten reduceras ytterligare. FIG. 2a och b visar vyerna fr5n ovan av spinnstrukturen och den topologiska densiteten vid atta olika simuleringstider. FIG. 2c visar ett tidsspar av de tre magnetiseringskomponentema som medelvarde Over simuleringsomradet med streckade vertikala linjer som motsvarar de 5tta tidpunkterna ovan; FIG. 2d visar ett tidssp5r av den totala energin och skyrmiontalet. Strommen varieras enligt foljande: I = 2.15 * 8 A/cm2 for 0 FIG. 3a-c justering av droppskyrmionfrekvensen: Droppskyrmionens frekvens visas som fasta linjer och ifyllda cirklar for: FIG. 3a Happ = 0:3 T d5 stromtatheten varieras; FIG. 3b visar J = 2:5 * 8 A/cm2 d5 det p5lagda faltet varieras. Motsvarande droppfrekvens (DMI=0) visas som punktlinjer och ihaliga cirklar. Zeeman- och FMR- frekvenserna visas som streckade linjer. De infallda rutorna visar droppens radie (ih5liga cirklar) och det tidsmedelvardet av droppskyrmionens radie (ifyllda cirklar) dar felfalten (eng. "error bars") indikerar det totala omradet av radievarden. Droppskyrmionens frekvens minskar snabbt med okande radie (okande strom) i FIG. 3a. D5 faltet akar i FIG. 3b, blir droppskyrmionen styvare, vilket reducerar andningen och gOr att dynamiken liknar den has en droppe. 6 FIG.4a-bNukleations-ochstabilitetsfasdiagram: FIG. 4a visar nukleation av en droppe (ihalig cirkel), droppskyrmion (ifylld regnbagscirkel, och statisk skyrmion (gran ifylld cirkel) vid olika falt och strommar. FIG. 4b visar stabiliteten hos droppskyrmionen aver ett mycket brett falt- och stromomrade. Notera att faltaxeln är olinjar for att leda till den slutgiltiga kollapsen av droppskyrmionen vid mycket hoga falt.

Droppskyrmionen nukleerades genom att anvanda betingelserna som understryks av den rosa kvadraten.

FIG. 5a-b Dropp- och droppskyrmioninjektionslasning: Injektionslasningsdiagrammet av en (FIG. 5a) droppe och (FIG. 5b) droppskyrmion som en funktion av den injicerade mikrovagsstrommens (vita streckade linjer) frekvens. Den injicerade signalen är en ren ton med amplitud 0:2J. Det helt strominducerade Oersted-faltet är aven inkluderat i dessa simuleringar. Trots att droppen inte är synbart injektionslAst for parametrarna som studeras, uppvisar droppskyrmionen en mycket stor faslasningsbandbredd p5 approximativt 3 GHz. Utanfor det 15sta omradet uppvisar droppskyrmionen starka intermodulationsprodukter som ytterligare demonstrerar dess starka samverkan med den injicerade strommen.

FIG. 6a-d Droppnukleation och skyrmionavlasning: FIG. 6a och b är tva vyer tan ovan av spinnstrukturen och normaliserad topologisk tathet vid fyra olika tider; FIG. 6c visar tidssparet av de tre magnetiseringskomponenterna som medelvarde over simuleringsomradet med streckade vertikala linjer som motsvarar ogonblicksbilderna ovan; FIG. 6d visar tidsberoende frekvens for precessions magnetiseringen. En statisk skyrmion initialiseras som mikromagnetiskt grundtillstand vid t1.

Genom att palagga en stromtathet J = 2:15 * 8 A/cm2, nukleeras en droppe (t2). Droppen verkar som en attraktiv [calla flit- den statiska skyrmionen tills den slas ihop vid t3. Droppen absorberar skyrmiontopologin vilket bevisas genom reduktionen av magnetiseringen i-plan och frekvensfallet d5 droppskyrmionen bildas vid (t4).

Det har nyligen varit en snabb okning av intresset avseende magnetiska skyrmioner [1-8], vilka är partikellika topologiska solitoner som ursprungligen upptackts i bulkferromagneter som saknar inversionssymmetri, sasom de icke centrosymmetriska MnSi och FeCoSi [9, 10] och senare aven i tunnfilmer av liknande material [10, 11]. Den magnetiska skyrmionens spintextur kommer fran en balans mellan den vanliga ferromagnetiska utbyteskopplingen, Dzyaloshinskii-Moriya-interaktionen (DMI), och Zeeman-energin fran det palagda faltet.

Mycket nyligen foreslogs skyrmioner aven som nasta generations magnetiska informationsbarare i ultratunna magnetiska nanotradar, dar assymmetriska granssnitt ger 7 namnda nodvandiga DMI [12-14]. Sam informationsbarare är det nodvandigt att nukleera isolerade skyrmioner i motsats till skyrmionytfasen som observerats for icke symmetriska tunnfilmer [11]. Sadana isolerade skyrmioner demonstrerades nyligen experimentellt genom att anvanda spinn-polariserad tunlingsmikroskopi (eng. spin-polarized tunneling microscopy) (STM) vid noll falt i ett monoskikt av Fe vaxt i Ir(111) [15].

ParallelIt med denna snabba utveckling demonstrerades experimentellt nyligen en ny dissipativ, och icke topologisk magnetisk soliton, den sa-kallade magnetiska droppen [16], [17] genom att anvanda spinnovergangsmoment (eng. spin transfer torque) (SIT) i nano- kontakt spinnmomentoscillatorer (NC-STO:er) med vinkelrata magnetiska anisotropa (PMA) fria skikt. Trots ursprungligen ansett som en teoretisk kuriositet, enbart stabilt i magnetiska PMA filmer med noll spinnvagsdampning [18, 19], gjorde tillkomsten av SIT [20, 21] det mojligt att lokalt skapa ett verksamt forlustlost spinnvagsmedium [22, 23] med de onskade materialegenskaperna far droppnukleation, styrning och manipulering [16, 24].

Trots att droppar och skyrmioner hittills har studerats helt separat med liten korsbefruktning mellan dessa tva, är de i praktiken starkt forenade. De fundamentala egenskaperna som hittills separerar dem är deras dynamiska, topologiska och dissipativa karaktar. Droppen är dynamisk i det avseende att alla dess spinn sker vid en enskild frekvens; i en skyrmion kvarblir spinntexturen statiskt och enbart dess utstrackning i rymden kan varieras av yttre faktorer sasom elektromagnetiska vagor av vaxelstrom och termiska gradienter [25-27]. Droppen är icke topologisk med ett skyrmiontal pa noll; skyrmionen skyddas topologiskt och har ett skyrmiontal pa 1. Droppen är dissipativ och kraver SIT for att uppratthalla bade dess precession och holje (eng. "envelope"); det topologiska skyddet som ges av skyrmionen gar dess spinnstruktur mycket stabil mot dissipativ upplindning.

Trots dessa synbart inbordes exklusiva egenskaper, visar vi har hur flera av dessa karakteristika kan kombineras med framgang, som utbyte samtidigt givande en dynamisk, dissipativ, och topologiskt skyddad magnetisk droppskyrmion.

Mikroskopiskt modellerar vi [28] en NC-STO med ett ultratunt PMA Co fritt skikt, liknande det som simulerats i Ref. [12]. For ett utmatat palagt fait ut ur-plan pa Ha = 0:3 T och stromtathet J = 2:5 * 8 A/cm2, visar FIG. la-d den snabba nukleationen av en magnetisk droppsoliton som uppvisar dess typiska karakteristika av precessing-spinn langs med dess omkrets (eng. "perimeter"). Pga. stort DMI, är spinnstrukturen vasentligen perturberad (t1 och t2) jamford med situationen dar DMI är franvarande. Perturbering kan uttryckas i termer av den lokala topologiska tatheten [29, 30] n. Den topologiska tatheten är alltsa integranden i definitionen 8 av skyrmiontalet S. Vid exempelvis tiderna t1 and t2, fann man omraden av svag fran noll skild topologisk tathet att rotera runt droppomkretsen. Under det att droppen är stabil under ett antal perioder fortsatter de topologiska perturbationerna att vaxa i amplitud och nastan driva bildandet av en anti-skyrmion (S narmar sig -1 vid t3) just innan systemet byter till ett stabilt S = 1 tillstand vid t4. Detta nya tillstand kvarhaller den dynamiska precessions- karaktaren hos droppen, under det att den har topologin hos en skyrmion, och beskrivs darfor bast som en droppskyrmion. Precis som i droppen sker spinnet langs med omkretsen av droppskyrmionen vid en enskild frekvens I5ngt under den ferromagnetiska resonansen, dock ovan Zeeman-frekvensen f7. 1 motsats till droppen, dar spinnen sker i fas (fOrutom lokala avvikelser) kraver spinnen i droppskyrmionen en hel 2*pi fasrotation langs sin omkrets vid alla tidpunkter. Detta leder till kontinuerliga omvandlingar mellan igelkotts- och vortexliknande spinntexturstrukturer [31]. Medan droppstorleken typiskt kvarblir stabil under dess excitering, kanner droppskyrmionen dramatisk andning s5 att dess radie varierar med upp till en faktor p5 5 (se rutor i FIG. 3a-b nedan). Andningsfrekvensen är identisk och faslast till precessionsfrekvensen och saledes till den omvandlande spinntexturen. Detta upptradande paminner om andningen som observerats i kvasi-1D magnetiska droppsolitonspar med ickenoll kiralitet [32] och droppskyrmionen omvandlas till ett sadant solitonpar om den laterala dimensionen av simuleringsarean reduceras till den hos namnda NC (visas inte). 1 b5da fallen attribueras andningen till balansen mellan de styrande magnetiska energierna, inkluderande STT och DMI. Objektets storlek krymper saledes pga. dampningen och det palagda faltet medan den senare expanderar d5 namnda STT favoriserar en storre reverserad area. Den specifika orienteringen vid maximal och minimal droppskyrmion-halt kan knytas till namnda DMI-inducerade canting av de fysiska granserna som visas i Ref. [12] (Se FIG. la-d vid t6). Det är viktigt att understryka att denna typ av andning i topologiska strukturer sker vid samma precessions-frekvens pga. den tidigare angivna energibalansen under det att andning pga. enbart dipolara fait forvantas ske vid den dubbla precessionsfrekvensen [19]. Som antyds ovan sakerstaller topologin hos droppskyrmionen att spinnen i omkretsen sker vid en enskild frekvens under det att man uppratth5lIer en 2F fasrotation. Detta medfor att den i rymden medelmagnetiseringen i-plan är konstant i tid. Emellertid fororsakar andningen en kraftig variation i mz-komponenten som medger for oss att sakert bestamma oscillationsfrekvensen. Som visas nedan är frekvensen en god estimator p5 exciterad dynamik och dess falt- och stromtathetsberoenden sa val som dess injektions15sningsegenskaper medger att sakert skilja mellan en droppe och en droppskyrmion i en experimentell situation. Om faltet stangs av relaxerar droppskyrmionen till en statisk igelkottsskyrmion. Om faltet igen slas pa, omvandlas droppskyrmionen da precessionen aterstartar. Omvandlingen fran droppskyrmion till skyrmion är s5ledes helt reversibel, vilket är en naturlig konsekvens av deras identiska topologi. Om slutligen bade fait 9 och strom stangs av, kvarblir en mindre statisk igelkottsskyrmion med sin storlek som ges av simuleringens materialparametrar. Fran namnda SIT som tillhandahalls av en stromtathet skild fran noll, ka man styrbart justera den statiska skyrmionens storlek, dar en positiv stromtathet akar storlek och en negativ stromtathet minskar den.

Droppskyrmionema kan aven nukleeras genom att styra enbart stromtatheten. FIG. 2a-e visar en mikromagnetisk situation av samma NC-STO i ett konstant palagt falt pa 0:3 T, som favoriserar ett likformigt ferromagnetiskt tillstand. Efter en period av svag ferromagnetisk resonans (FMR) sasom precession, bildas en DMI-perturberad droppe och kvarblir nu stabil sa lange som stromtatheten begransas till J = 2:15 * 8 A/cm2. Nar stromtatheten istallet okas till J = 2:5 * 8 A/cm2 ger namnda STT tillracklig energi for att inducera kraftiga topologiska svangningar mellan negativt och positivt skyrmiontal for att slutligen byta (eng. "switch") systemet till ett stabilt droppskyrmiontillstand. Nar val droppskyrmionen har bildats kan stromtatheten reduceras vasentligt under det att man fortfarande uppratthaller precessionen, tills en minsta uppratthallande stromtathet nas under vilken droppskyrmionen snabbt kollapsar till eft uniformt S = 0 ferromagnetiskt tillstand, pa ett liknande satt som vanliga droppar. Som en konsekvens är det fullt mojligt att upprepande ha atkomst till de uniforma dropp-, och droppskyrmiontillstanden genom att enbart styra stromtatheten. Genom att styra bade drivstromtatheten och det palagda faltet, kan overgangar mellan alla fyra tillstand, inkluderande den statiska skyrmionen, styras enligt behov, med den enda begransningen att den direkta omvandlingen av en skyrmion eller droppskyrmion till en droppe, som kraver ett mellanliggande steg av ett uniformt magnetiserat tillstand.

I FIG. 3a-b jamfors den falt- och stromberoende justerbarheten av droppskyrmionen och motsvarande droppe (den senare simulerad genom att ta bort namnda DMI-term men annars delande identiska betingelser). Den mest uppenbara funktionen av droppskyrmionen är en mycket starkare frekvensjusterbarhet an droppen. Medan droppfrekvensen är vasentligen oberoende av stromtathet och linjart beroende av faltet, minskar frekvensen hos droppskyrmionen snabbt och linjart med Okande stromtathet och uppvisar eft icke-linjart faltberoende, sarskilt vid laga falt. Dessutom observeras det att droppskyrmionens maximala frekvens är bunden av dess droppmotpart. Nyckeln till att forsta de mycket starkare falt- och stromberoendena ligger i den kraftiga andningen av droppskyrmionen. Medan den vanliga droppen alltid är nagot storre an nano-kontakten och inte varierar signifikant i storlek med antingen strom eller falt, kan droppskyrmionens radie vid laga falt ha ett minimum som är mindre an en tredjedel av nanokontaktradien och ett maximum som är mera an 50 % storre an nano-kontakten, sasom framgar av feltavlorna i rutorna i FIG. 3a-b. Med andra ord kan andningen Ora att droppskyrmionens radie varierar mera an fern ganger dess minsta storlek. Den mycket kraftiga andningen kommer Oka dissipationen och den periodiska translationen av domanvaggen som utgor droppskyrmionens omkrets kommer att minska ned den totala precessionen. Nar stromtatheten okas i FIG. 3a akar aven den maximala radien, vilken ytterligare minskar hastigheten hos precessionen. När emellertid faltet okas i FIG. 3b stimuleras minskar amplituden av andningen, och som en konsekvens narmar sig bade den maximala radien och frekvensen hos droppskyrmionen narmar sig dessa hos droppen.

Som observeras i FIG. 2a-e ovan uppvisar droppskyrmionen en liknande grad av hysteres som den ursprungliga droppen, dvs. dess uppratthallande strom kan vara mycket lagre an strommen som behovdes for nukleation. Hysteresen forsakrar en minsta grad av stabilitet, vilken skulle Ora droppskyrmionen tillrackligt robust for tillampningar. I FIG. 4a-b undersoker vi denna stabilitet mera detaljerat och presenterar ett nukleationsfasdiagram i FIG. 4a och ett stabilitetsfasdiagram i FIG. 4b. Nukleationsfasdiagrammet visar det slutliga stabila tillstandet hos det simulerade systemet, nar bade strom och fait är paslagna vid tO och halls konstanta tills stabilt tillstand. Fern olika sluttillstand kan identifieras: en droppe, en droppskyrmion, en statisk skyrmion, och de tva trivialt manacle tillstanden. Stabilitetsfasdiagrammet a andra sidan visar det slutliga stabila tillst5ndet vid alla falt- och stromvarden efter att en droppskyrmion fOrst har nukleerats vid betingelsema som visas i rosa. Hat- är enbart fyra olika sluttillstand mojliga da droppskyrmionen aldrig omvandlas tillbaka direkt till en droppe.

Det är van att notera att droppskyrmionen är stabil over ett mycket stort strom- och faltomrade, mera sà an droppen, vilket overensstammer med dess topologiska skydd som ger den ytterligare stabiliteten.

Droppskyrmionen är en ny solitonisk, dynamisk, och topologisk struktur som är mojlig att excitera i NC-STO:er. En naturlig forsta tillampning for droppskyrmionen är darfor som en NC-STO-baserad mikrovagssignalgenerator dar den har potentialen att overtraffa bade de ursprungliga utbredande [33-36] och lokala [34, 35, 37, 38] spinnv5gsmoderna, s5 val som den nyligen upptackta droppen [17] pa ett antal satt, inkluderande i) uteffekt, ii) minsta arbetsstromtathet, iii) stromjusteringsmojlighet, iv) maximal arbetsfrekvens, v) mikrovagsstrominjektionslasning, och vi) lagre fasbrus.

Uteffekt. En av de mest attraktiva egenskaperna hos den ursprungliga magnetiska droppsolitonen [16, 18, 19] är dess mycket hogre uteffekt jamford med normal FMR-liknande precession, med experiment som visar en 40x okning i uteffekt dâ droppen bildas [17]. Detta är en konsekvens av den mycket storm precessionsvinkeln, dar en vasentlig andel av spinnen utbreder sig langs med ekvatorn och saledes (lokalt) anvander all tillganglig 11 magnetresistans. Da droppskyrmionen aven uppvisar liknande stora precessionsvinklar, kommer dess topologiska skydd med en 2*pi rotation av den relativa fasen langs med dess omkrets, och som en konsekvens, medelsvardesbildas den stora utbredningen i-plan till noll mikrovagsuteffekt vid alla tidpunkter. Emellertid aterskapar den mycket stora andningen av droppskyrmionen, direkt faslast till precessionsfrekvensen mikrovagssignalen. Da droppskyrmionen expanderar och drar ihop sig precessar effektivt mz-komponenten av de lokala spinnen mellan -1 och 1. Da andningen kan vara storre an 5 ganger den minsta diameter av droppskyrmionen, vilken i sin tur är mycket mindre an NC-diametern, anvander detta mode vasentligen all tillganglig vinkelrat magnetresistans hos anordningen. Som en konsekvens antas droppskyrmionen ge ytterligare en storleksordnings okning i uteffekt jamfort med droppen, da i den senare, enbart spinnet langs med omkretsen bidrar till deras maximala effekt.

Minsta arbetsstromtathet. Som visats experimentellt i Ref. [17], skalas troskelstromtatheten for droppnukleation i en ortogonal-spinn-ventil inverterat mot det palagda faltet ut-ur-plan; droppnukleationen assisteras och droppen stabiliseras genom den vinkelrata komponenten av den spinnpolariserade stromtatheten. Den lagsta stromtatheten ges saledes for axed skikt som ár mattat ut-ur-plan. D6 emellertid droppen genererar dess mikrovagssignal helt fran komponenten i-plan av dess utbredning, kraver den en signifikant komponent i-plan av magnetiseringen for det fasta skiktet for signalgeneration; ett fullt mattat axed skikt genererar inte nagon mikrovagssignal. Da droppskyrmionen andra sidan utvinner sin mikrovagssignal helt fran den vinkelrata magnetresistansen, ger den sin maximala uteffekt exakt i det mattade fasta lagrets tillst6nd. En droppskyrmion NC-STO kan saledes samtidigt optimera for maximal uteffekt och minsta arbetsstrom.

Stromjusteringsmojlighet. En nackdel med droppbaserade NC-STO:er är deras daliga stromjusteringsmojlighet, som begransar bade deras frekvensomrade och strommoduleringsegenskaper. Som emellertid visas i FIG. 3a ovan, ger andningen av droppskyrmionen en mycket stor stromjusteringsmojlighet, som gar droppskyrmionen mycket mera attraktiv fOr mikrovagstillampningar.

Maximal arbetsfrekvens. Som visas i FIG. 4b ovan är droppskyrmionen synnerligen stabil aven vid mycket hoga falt. Saledes kan den arbeta vid en mycket hogre frekvens an droppen, som begransas av mattnadsfaltet av det fasta skiktet.

MikrovagsstrOminjektionslasning. Medan droppen är vasentligen okanslig for injektionslasning till en mikrovagsstrom (FIG. 5a), injektionslases droppskyrmionen framst (FIG. 5b), primart pga. stark koppling mellan det tidsvarierande spinnovergangsmomentet och andningen. Denna kanslighet är inte viktig enbart i mikrovagssensortillampningar, utan 12 den tillhandahaller aven direkta medel for att inbordes synkronisera ett stort antal droppskyrmion NC-STO:er i serie via deras delade mikrovagsstrom [39-42]. Den dramatiska skillnaden i injektions15sningsstyrka och det starka stromberoendet av frekvensen är formodligen de mest uppenbara experimentella testerna av en fOrsta experimentell demonstration av en droppskyrmion.

Fasbrus. Droppen är kand for att vara kanslig for att driva ivag fran NC:n och perturbationer av dess omkrets, vilka b5da adderar signifikant fasbrus och linjebredd for dess mikrovagssignal. Droppskyrmionen forefaller vara signifikant mera robust mot sadana perturbationer och skulle som en konsekvens ge en mycket renare mikrovagssignal.

Skyrmionik. Droppskyrmionen har aven stor potential for direkta skyrmiontillampningar som ges av de talrika interaktionerna mellan droppar, droppskyrmioner, och statiska skyrmioner. FOr att illustrera ger vi har ett intrikat exempel p5 en droppbaserad ultra-snabb avlasning av en skyrmion. Som ett utgangslage tar vi en statisk skyrmion i narheten av en nano-kontakt (FIG. 6a-d). Vi later sedan tillrackligt mycket strom passera genom nano-kontakten for att nukleera en droppe utan att driva en omvandling till en droppskyrmion. Da de DMI-drivna perturbationerna av droppen roterar runt NC:n, interagerar de med den narliggande skyrmionen, vilket slutligen kanns som en tillrackligt attraktiv kraft for att dras in under nano- kontakten dar den sammanfors med droppen och i processen overfor sin topologi, onvandlande droppen till en dropp-skyrmion. Denna omvandling kan observeras i tidfrekvens-illustrationen i FIG. 6d dar, pa brakdelen av en nanosekund, spinnen andrar sin precessionsfrekvens fr5n 30 till 20 GHz och den karateristiska andningen borjar, vilken direkt genererar en mikrovagssignal Over anordningen.

FOreg5ende detaljerade beskrivning är avsedd att illustrera och ge enklare forst5else av uppfinningen, och ska inte ses som begransningar. Alternativa utforingsformer ár uppenbara for fackmannen inom omr5det utan att fr5ng5 uppfinningstanken hos uppfinningen.

Referenslista: U. K. Roessler, A. N. Bogdanov, and C. Peiderer, Nature 442, 797 (2006).

S. Heinze, K. von Bergmann, M. Menzel, J. Brede, A. Kubetzka, R. Wiesendanger, G.

Bihlmayer, and S. Bluegel, Nature Physics 7, 713 (2011).

T. Schulz, R. Ritz, A. Bauer, M. Ha!der, M. Wagner, C. Franz, C. Peiderer, K. Everschor, M. Garst, and A. Rosch, Nature Physics 8, 301 (2012). 13 S. Seki, X. Z. Yu, S. Ishiwata, and Y. Tokura, Science 336, 198 (2012).

M. Nagao, Y.-G. So, H. Yoshida, M. Isobe, T. Hara, K. Ishizuka, and K. Kimoto, Nature Nanotechnology 8, 325 (2013).

R. Ritz, M. Ha!der, M. Wagner, C. Franz, A. Bauer, and C. Peiderer, Nature 497, 231 (2013).

P. Milde, D. Koehler, J. Seidel, L. M. Eng, A. Bauer, A. Chacon, J. Kindervater, S.

Muehlbauer, C. Peiderer, S. Buhrandt, C. Schuette, and A. Rosch, Science 340, 1076 (2013).

A. Brataas and K. M. D. HaIs, Nature Nanotechnology 9, 86 (2014). [9] S. Muhlbauer, B. Binz, F. Jonietz, C. Peiderer, A. Rosch, A. Neubauer, R. Georgii, and P.

Boni, Science 323, 915 (2009).

X. Yu, Y. Onose, N. Kanazawa, J. Park, J. Han, Y. Matsui, N. Nagaosa, and Y. Tokura, Nature 465, 901 (2010).

X. Yu, N. Kanazawa, Y. Onose, K. Kimoto, W. Zhang, S. lshiwata, Y. Matsui, and Y. Tokura, Nature Materials 10, 106 (2011).

J. Sampaio, V. Cros, S. Rohart, A. Thiaville, and A. Fert, Nature Nanotechnology 8, 839 25 (2013).

A. Fert, V. Cros, and J. Sampaio, Nature Nanotechnology 8, 152 (2013).

J. Iwasaki, M. Mochizuki, and N. Nagaosa, Nature Nanotechnol 8, 742 (2013).

N. Romming, C. Hanneken, M. Menzel, J. E. Bickel, B. Wolter, K. von Bergmann, A. Kubetzka,and R. Wiesendanger, Science 341, 636 (2013).

M. A. Hoefer, T. J. Silva, and M. W. Keller, Phys. Rev. B 82, 054432 (2010).

S. M. Mohseni, S. R. Sani, J. Persson, T. N. A. Nguyen, S. Chung, Y. Pogoryelov, P. K. Muduli, E. Iacocca, A. Eklund, R. K. Dumas, S. Bonetti, A. Deac, M. A. Hoefer, and J. Akerman, Science 339, 1295 (2013).

[18] B. lvanov and A. Kosevich, Soy. Phys. JETP 45, 1050 (1977).

A. Kosevich, B. lvanov, and A. Kovalev, Physics Reports 194, 117 (1990).

J. C. Slonczewski, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 159, L1 (1996).

L. Berger, Phys. Rev. B 54, 9353 (1996).

W. H. Rippard, A. M. Deac, M. R. Pufall, J. M. Shaw, M. W. Keller, S. E. Russek, G. E. W. Bauer, and C. Serpico, Phys. Rev. B 81, 014426 (2010).

S. M. Mohseni, S. R. Sani, J. Persson, T. N. Anh Nguyen, S. Chung, Y. Pogoryelov, and J. Akerman, Physica Status Solidi RRL 5, 432 (2011).

M. A. Hoefer, M. Sommacal, and T. J. Silva, Phys. Rev. B 85, 214433 (2012). 5 14 M. Mochizuki, Phys. Rev. Lett. 108, 017601 (2012).

Y. Onose, Y. Okamura, S. Seki, S. lshiwata, and Y. Tokura, Phys. Rev. Lett. 109, 037603 (2012).

M. Mochizuki, X. Yu, S. Seki, N. Kanazawa, W. Koshibae, J. Zang, M. Mostovoy, T. Y., and N. N., Nature Materials 13, 241 (2014).

A. Vansteenkiste and B. V. de Wiele, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 323, 2585 (2011).

C. Mouta_s, S. Komineas, and J. A. C. Bland, Phys. Rev. B 79, 224429 (2009).

H.-B. Braun, Advances in Physics 61, 1 (2012).

A. Thiaville, S. Rohart, E. Jue, V. Cros, and A. Fert, EPL 100, 57002 (2012).

E. Iacocca, R. K. Dumas, L. Bookman, M. Mohseni, S. Chung, M. A. Hoefer, and J. Akerman, Phys. Rev. Lett. 112, 047201 (2014).

J. C. Slonczewski, J. Magn. Magn. Mater. 159, 261 (1999).

S. Bonet, V. Tiberkevich, G. Consolo, G. Finocchio, P. Muduli, F. Manco , A. Slavin, and J. Akerman, Physical Review Letters 105, 217204 (2010).

R. K. Dumas, E. Iacocca, S. Bonetti, S. R. Sani, S. M. Mohseni, A. Eklund, J. Persson, 0. Heinonen, and J. Akerman, Physical Review Letters 110, 257202 (2013).

M. Madami, S. Bonet, G. Consolo, S. Tacchi, G. Carlotti, G. Gubbiotti, F. B. Manco, M.

A. Yar, and J. Akerman, Nature Nanotechnology 6, 635 (2011).

A. Slavin and V. Tiberkevich, Phys. Rev. Lett. 95, 237201 (2005).

V. E. Demidov, S. Urazhdin, and S. 0. Demokritov, Nature Materials 9, 984 (2010).

J. Grollier, V. Cros, and A. Fert, Phys. Rev. B 73, 060409 (2006).

J. Persson, Y. Zhou, and J. Akerman, J. Appl. Phys. 101, 09A503 (2007).

[41] Y. Zhou and J. Akerman, Applied Physics Letters 94, 112503 (2009).

E. Iacocca and J. Akerman, Journal of Applied Physics 110, 103910 (2011).

A. N. Bogdanov and U. K. Roler, Phys. Rev. Lett. 87, 037203 (2001).

Claims (20)

1. Claíms 1. A spin oscillator device (1) comprising a spin oscillator (2) having a magnetic film (3) with perpendicular magnetic anisotropy; and; characterised in that the spin oscillator device (1) comprises means (4) configured to generate magnetic droplet selitessskyrnfâons (5), wherein the means (4) is configured to control the droplet skyfrmšonss-»selšt-:ans (5) by means of applying_-~current (I) and/or magnetic (pOH) fields, wherein the spin oscillator (2) is a spin torque oscillator, STO, wherein a nano-contact, NC, (6) is provided on the maqnetic film (3) providing a “NC-STO” (2, 6), wherein the means (4) is configured to applv spin transfer torque. STT, underneath the NC (6).

2. The spin oscillator device (1) according to claim 1, wherein the spin oscillator (2) is a spin torque oscillator, STO, wherein a nano-contact, NC, (6) is provided on said magnetic film (3) providing an NC-STO (2, 6), and the means (4) are configured to apply spin transfer torque underneath the NC (6).

3. The spin oscillator device (1) according to claim 1,wherein the spin oscillator (2) is based on a spin Hall Effect.

4. The spin oscillator device (1) according to claim 2, wherein the means (4) is configured to l control the droplets sslitoasskyrmions (5) by means of applying current (I).

5. The spin oscillator device (1) according to claim 2, wherein the means (4) is configured to l control the droplets selitensskyranšons (5) by means of magnetic (pOH) fields. ---- -ïhe--spln-ossiEla-ter--elevåee--aseerating-te--aawy-oae--ef-the-slaârnsf-1-?ä-š--ezf-Af-â--whereiaw--tlfae-N-G 337%-(2:-6)-ls-»taa-seé-en»ertt-tegonal--psessas-pšafrvalvaæstaelæan- .sr M _:___I'\ .~ .\.~ t The spin oscillator device according to any one of the claims 2, or 4-5, wherein the NC-STO (2, 6) is based on perpendicular pseudospin valve stacks. l ff_.______The spin oscillator device according to any one of the claims 2, or 4-5, wherein the NC- STO (2, 6) is based on tilted pseudospin valve stacks. 8. The spin oscillator dexfšoe according to anv one of the claims ”l-Z, or 4-5, wherein the NC- STÜ (2. 6) is based on orthoqonal pseudospin valve stacks. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17 18. The spin oscillator device according to any one of the claims 2, or 4-5, wherein the NC- STO (2, 6) is based on tilted pseudospin valve stacks where the tilt angle is non-uniform. The spin oscillator device according to any one of the claims 2, or 4-5, wherein the NC- STO (2, 6) is based on a magnetic tunnel junction, l\/ITJ. The spin oscillator device according to any one of the claims 2, or 4-5, wherein the NC- STO (2, 6) is based on a combination of pseudospin valves and -magnetic tunnel junctions, MTJ. The spin oscillator device according to claim 8, wherein the tilted pseudospin valve stacks are made by layers having different crystalline characteristics. The spin oscillator device according to claim 8, wherein the tilted pseudospin valve stacks are made by tvvo or more layers tilted at different angles. The spin oscillator device according to claim 1-13, wherein any of the magnetic properties have a spatial variation in any lateral direction. The spin oscillator device according to claim 1-44, wherein a microwave current, or microwave field, or a combination of microwave current and field, at nominally the same frequency as the spin oscillator device is provided iniected so as to improve the intrinsic microwave signal of the spin oscillator device. The spin oscillator device according to claim 1-44, wherein a microwave current, or microwave field, or a combination of microwave current and field, at nominally any higher harmonic, or fractional harmonic, or lower sub-harmonic of the frequency of the spin oscillator device is provided injected so as to improve the intrinsic microwave signal of the spin oscillator device. .The spin oscillator device according to claim 15-16, wherein the provided microwave current and/or field is originally generated by the spin oscillator device so as to provide feedback of the spin oscillator device onto itself. The spin oscillator device according to claim 1, wherein a magnetic field or a current modulates the operating point of the spin oscillator device. 19. The spin oscillator device according to claim 18, wherein the modulating magnetic field or current modulates the operating point across the nucleation point of the magnetic droplet soliton. 20. The spin oscillator device according to claim 1, where the spin oscillator device is i employed for frequency shift keying. I 24? “_jê__ï___Use of a device according to any one of the claims 1-20 in one or more of: spintronics, magnonics, hard disk drives (reading head) or domain-wall devices