Control of topologically non-trivial spin excitations [Kumulative Dissertation]

Abstract

In dieser Dissertation wird die Manipulation von Spinanregungen mit einer nicht-trivialen Realraumtopologie in magnetischen Festkörpern untersucht. Magnetische Skyrmionen sind wirbelartige Quasiteilchen, die eine hohe Mobilität und Stabilität aufweisen und daher vielversprechende Kandidaten zur Anwendung in Speichermedien sind. Theoretische Konzepte und numerische Simulationen zur Kontrolle von magnetischen Quasiteilchen werden präsentiert. Anschließend wird die Existenz von twisted magnons (gewundene Magnonen) demonstriert. Twisted magnons sind Spinwellenmoden in magnetischen Materialien, die einen Bahndrehimpuls tragen. Kontrollmechanismen, Transporteffekte und die Robustheit ihrer topologischen Ladung gegenüber Störungen werden untersucht. Aufgrund der möglichen Verbesserungen hinsichtlich Geschwindigkeit und Energieeffizienz, sind die präsentierten Konzepte von direkter Relevanz für Anwendungen in der Datenspeicherung und Informationsübertragung.

This thesis presents results on controlling spin excitations with a non-trivial real space topology in magnetic solids. In particular, magnetic skyrmions and related non-collinear magnetic configurations are discussed. Skyrmions are localized whirl-like quasiparticles with high mobility and stability making them promising candidates for information storage devices. Theoretical concepts and simulations are presented for controlling magnetic quasiparticles. Subsequently, the existence of twisted magnons is predicted, which are excitations in magnetic systems that carry orbital angular momentum (OAM). Control mechanisms, transport effects, and the robustness of the twisted magnons' topological charge against perturbations are demonstrated. The new concepts presented in the thesis are of direct relevance to applications in data storage and information transfer with the potential for improving future technology in terms of speed and energy efficiency.