Stability of magnetic skyrmions in ultrathin films

Fundamental aspects of the stability of magnetic skyrmions have been studied with atomistic spin simulations based on an extended Heisenberg model parameterised by first-principles calculations in the ultrathin film system Pd/Fe/Ir(111). The atomistic model contains exchange interaction beyond nearest neighbours, Dzyaloshinskii-Moriya interaction, magnetocrystalline anisotropy and the Zeeman interaction. The minimum energy paths of skyrmion creation and annihilation are calculated with the geodesic nudged elastic band method. By comparison of the fully parameterised model with an effective nearest neighbour approximation of exchange interaction it is shown, how exchange frustration can enhance the energy barriers of metastable skyrmions and antiskyrmions, improving their stability against a collapse into the ferromagnetic state. The prefactor in the Arrhenius-law for skyrmion collapse is calculated within transition state theory and is demonstrated to be strongly affected by external magnetic fields and system parameters. By decomposing the prefactor, localised low-energy eigenmodes of the skyrmion state are identified to be responsible for this effect. A novel skyrmion transition mechanism is predicted by the atomistic spin simulations and confirmed by comparison to recent experimental measurements. The energy barrier and prefactor of this mechanism, coined the chimera transition mechanism, is analysed and compared to the conventional radial symmetric collapse mechanism. For this purpose, the mode following method is introduced. It allows the analysis of low-energy eigenmodes beyond the harmonic and Goldstone mode approximation and the calculation of skyrmion and antiskyrmion lifetimes in temperature regimes and via transition mechanisms not accessible previously.

Grundlegende Aspekte der Stabilität von magnetischen Skyrmionen werden mit atomistischen Spinsimulationen im Ultradünnschichtsystem Pd/Fe/Ir(111) auf der Basis eines erweiterten Heisenbergmodells untersucht. Das Modell wird durch first-principles Methoden parametrisiert und berücksichtigt die Austauschwechselwirkung über nächste Nachbarn hinaus, die Dzyaloshinskii-Moriya Wechselwirkung, die magnetokristalline Anisotropie und die Zeeman Wechselwirkung. Die Pfade minimaler Energie zur Erzeugung und Vernichtung von Skyrmionen und Antiskyrmionen werden mithilfe der geodesic nudged elasic band Methode berechnet. Durch den Vergleich mit einer effektiven Nächstenachbarnäherung der Austauschwechselwirkung wird gezeigt, wie Austauschfrustration die Energiebarrieren von metastabilen Skyrmionen und Antiskyrmionen und damit ihre Stabilität gegenüber dem Kollapse in den ferromagnetischen Zustand erhöht. Der Vorfaktor eines Arrhenius-Gesetzes für den Skyrmionkollapse wird innerhalb der transition state theory berechnet, was eine starke Abhängigkeit des Vorfaktors von der Magnetfeldstärke und der Wechselwirkungsparameter offenbart. Durch Zerlegung des Vorfaktors in seine Bestandteile werden lokalisierte, niederenergetische Eigenmoden des Skyrmionzustandes als Ursache für diese Effekte identifiziert. Der Chimeraübergang, ein neuer Mechanismus zur Skyrmionvernichtung, wird mit atomistischen Spinsimulationen vorhergesagt und durch den Vergleich mit experimentellen Messungen bestätigt. Die Energiebarrieren und Vorfaktoren des Chimeraübergangs werden analysiert und mit dem konventionellen, radialsymmetrischen Kollapsemechanismus verglichen. Für diesen Zweck wird die mode following Methode eingeführt. Sie erlaubt die Analyse der niederenergetischen Eigenmoden jenseits der harmonischen und Goldstonemoden Näherung, sowie die Berechnung von Skyrmionen- und Antiskyrmionenlebenszeiten in Temperaturbereichen und für Übergangsmechanismen, die zuvor nicht zugänglich waren.

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