Discovery of co-existing non-collinear spin textures in D2d Heusler compounds

Abstract

Diese Arbeit behandelt die unerwartete Entdeckung einer neuartigen magnetischen Spintextur, nämlich eines "elliptischen Bloch-Skyrmions" mit einer topologischen Ladung von -1, das in derselben invers-tetragonalen D2d-Heusler-Verbindung Mn1.4Pt0.9Pd0.1Sn gefunden wurde, deren kristalline Symmetrie normalerweise Antiskyrmionen der topologischen Ladung +1 unterstützt. Die Koexistenz dieser verschiedenen Nano-Objekte mit entgegengesetzten topologischen Ladungen hängt von der zeitlichen Entwicklung von Temperatur und Feld ab. Diese Spintexturen finden sich auch in einer ferrimagnetischen D2d-Verbindung mit niedriger Sättigungsmagnetisierung (Mn2Rh0.95Ir0.05Sn), was einen Weg zu vollständig kompensierten Nullmoment-Spintexturen eröffnet. Neben ihrer grundlegenden Bedeutung haben unsere Ergebnisse auch eine potenzielle technologische Anwendung im Bereich der magnetischen Racetrack-Datenspeicher. Anders als beim konventionellen Skyrmionen-Racetrack, bei dem das Vorhandensein oder Fehlen von Skyrmionen als digitale Bits verwendet wird, kann eine Folge elliptischer Bloch-Skyrmionen als "1"-Bits und Antiskyrmionen als "0"-Bits gelesen werden. Diese fortgeschrittene Version des Zwei-Bit-Speichers ist recht robust gegen thermische Drift und kann wesentliche Fehlerquellen reduzieren.

This thesis focuses on an unanticipated discovery of a novel magnetic spin texture, namely an ‘elliptical Bloch Skyrmion’ having a topological charge -1. It is found in the same D2d inverse tetragonal Heusler compound Mn1.4Pt0.9Pd0.1Sn, whose crystalline symmetry otherwise supports antiskyrmions of topological charge +1. The co-existence of these distinct nano-objects with opposite topological charges depends on the temperature and field history. These spin textures are also found in a low saturation magnetization ferrimagnetic D2d compound Mn2Rh0.95Ir0.05Sn, thereby opening a path toward fully compensated zero moment spin textures. Besides its fundamental importance, our findings also have a potential technological application in the magnetic racetrack data storage device. Unlike the case of the conventional skyrmion racetrack, where the presence or absence of skyrmions is utilized as digital bits, a sequence of elliptical Bloch skyrmions can be read as ‘1’ bits and antiskyrmions as ‘0’ bits. This advanced version of the two-bits storage device is quite robust against thermal drift and can reduce significant sources of error.