Emergent electrodynamics in non-collinear spin textures : [kumulative Dissertation]

Abstract

In dieser kumulativen Arbeit wird die Wechselwirkung von Elektronen mit nicht-kollinearen Spintexturen, wie zum Beispiel Skyrmionen – kleinen wirbelartigen Anregungen in einer ferromagnetischen Phase –, untersucht. Unter Verwendung von mikromagnetischen Spin-Dynamik-Simulationen, Monte-Carlo-Simulationen und effektiven Bewegungsgleichungen wird eine Optimierung des Skyrmion-basierten Racetrack-Datenspeichers vorgeschlagen. Außerdem wird die Existenz einzelner magnetischer Biskyrmionen sowie periodischer Gitter von Bimeronen und antiferromagnetischen Skyrmionen vorhergesagt. Weiterhin erlauben es die Berry-Theorie und der Landauer-Büttiker-Ansatz, den topologischen Hall-Effekt von Elektronen und den magnetoelektrischen Effekt in nicht-kollinearen Spintexturen zu quantifizieren. Außerdem werden ein rein topologischer Hall-Effekt für Bimeronen und das topologisch induzierte Äquivalent zum Spin-Hall-Effekt in antiferromagnetischen Skyrmion-Kristallen vorhergesagt.

This cumulative thesis reports on the theoretical investigation of the coupling of electrons and non-collinear spin textures like magnetic skyrmions – small, whirl-like modulations of the ferromagnetic phase. Using micromagnetic spin dynamics simulations, Monte Carlo simulations and effective equations of motion, an optimization of the skyrmion-based racetrack data storage device is proposed. Here, spin-orbit torques are manipulated to suppress the skyrmion Hall effect. Moreover, the existence of individual biskyrmions, as well as periodic lattices of magnetic bimerons and antiferromagnetic skyrmions are predicted. By utilizing the Berry theory and the Landauer-Büttiker approach, the topological Hall effect of electrons and the magnetoelectric properties of skyrmions are quantified. Furthermore, a purely topologically induced Hall effect of electrons in bimeron crystals and a topological spin Hall effect of electrons in antiferromagnetic skyrmion crystals are predicted.