Two-dimensional magnetic vortices
- Autores: Borisov A.B.1
-
Afiliações:
- Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences
- Edição: Volume 125, Nº 12 (2024)
- Páginas: 1548-1576
- Seção: ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
- URL: https://ter-arkhiv.ru/0015-3230/article/view/681052
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0015323024120091
- EDN: https://elibrary.ru/IISPRX
- ID: 681052
Citar
Resumo
In the proposed review, the structure of peculiar topological excitations of magnetically ordered media, the so-called two-dimensional magnetic vortices, is described as completely and in detail as possible. Magnetic vortices represent a distinct category of defects within the field of condensed matter physics. Accordingly, the structure of vortices in hydrodynamics and superfluids, as well as dislocations in solid-state physics, is presented at the beginning of the review. A specific section of the review is dedicated to elucidating the structural characteristics of plane vortices, instantons, spiral vortices, magnetic “targets,” vortex stripes, and their interactions employing analytical methods. A general solution of a two-dimensional isotropic ferromagnetic system is presented using methods of differential geometry. The discussion encompasses twodimensional vortices with anisotropic exchange interactions. A substantial portion of the review is devoted to helicoidal structures and vortices (skyrmions) in chiral magnets, encompassing their theoretical characterization based on a functional incorporating the DMI, as well as the outcomes of the early experiments on the detection of one-dimensional helical structures. A theoretical description of skyrmions and two-dimensional skyrmion lattices in bulk crystals is provided. It is observed that the DMI significantly alters the morphology of skyrmions with an arbitrary topological charge. Such structures can be represented as a “sack” with the shell comprised of kπ-skyrmions. The observed Archimedean spiral vortices are described, and a hexagonal lattice of Archimedean spiral is predicted to represent a new equilibrium phase.
Palavras-chave
Texto integral

Sobre autores
A. Borisov
Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences
Autor responsável pela correspondência
Email: borisov@imp.uran.ru
Rússia, Ekaterinburg
Bibliografia
- Ковалев А.С., Косевич А.М., Маслов К.В. Магнитный вихрь — топологический солитон в ферромагнетике с анизотропией типа легкая ось // Письма в ЖЭТФ. 1979. Т. 30. № 6. С. 321–324.
- Косевич А.М., Иванов Б.А., Ковалев А.С. Нелинейные волны намагниченности. Динамические и топологические солитоны. Киев: Наукова думка, 1983. 192 с.
- Kosevich A.M., Ivanov B.A., Kovalev A.S. Magnetic Solitons // Phys. Reports. 1990. V. 194. № 3–4. P. 117–238.
- Seidel J. Topological structures in ferroic materials: domain walls, vortices and skyrmions. Springer, Berlin. 2016. 249 p.
- Seki S. and Mochizuki M. Skyrmions in magnetic materials. Cham, Switzerland: Springer, 2016. 69 p.
- Jung Hoon Han. Skyrmions in condensed matter. Springer Tracts in Modern Physics. Springer. 2017. 278 p.
- Liu J.P., Zhang Z.D. and Zhao G.P. Skyrmions: Topological structures, properties, and applications. Boca Raton, London, New York: CRC Press, 2016. 481 p.
- Gupta S. and Saxena A. The role of topology in materials. Springer International Publishing AG, 2018. 307 p.
- Борисов А.Б., Киселев В.В. Двумерные и трехмерные топологические дефекты, солитоны и текстуры в магнетиках. М.: Физматлит, 2022. 455 с.
- Göbel B., Mertig I., Tretiakov O.A. Beyond skyrmions: Review and perspectives of alternative magnetic quasiparticles // Phys. Reports. 2021. V. 895. P. 1–28.
- Стишов С.М., Петрова А.Е. Геликоидальный зонный магнетик MnSi // УФН. 2011. Т. 181. № 12. С. 1157–1170.
- Изюмов Ю.А. Модулированные или длиннопериодические магнитные структуры кристаллов // УФН. 1984. Т. 144. № 3. С. 439–474.
- Fert A., Reyren N. and Cros V. Magnetic skyrmions: advances in physics and potential applications // Nat. Rev. Mater. 2017. V. 2. Article # 17031.
- Nagaosa N. and Tokura Y. Topological properties and dynamics of magnetic skyrmions // Nature Nanotech. 2013. V. 8. P. 899–911.
- Finocchio G., Büttner F., Tomasello R. et al. Magnetic skyrmions: from fundamental to applications // J. Phys. D: Applied Physics. 2016. V. 49. Article No. 423001.
- Bihlmayer G., Buhl P.M., Dupй B., Fernandes I.L., Freimuth F., Gayles J., Heinze S., Kiselev N.S., Lounis S., Mokrousov Yu., Blьgel S. Magnetic skyrmions: structure, stability, and transport phenomena // Scientific Highlight of the Month. 2018. No. 139, February.
- Звездин К.А., Екомасов Е.Г. Спиновые токи и нелинейная динамика вихревых спин–трансферных наноосцилляторов // ФММ. 2022. Т. 123. № 3. С. 219–239.
- Самардак А.С., Колесников А.Г., Давыденко А.В., Стеблий М.Е., Огнев А.В. Топологически нетривиальные спиновые текстуры в тонких магнитных пленках // ФММ. 2022. Т. 123. № 3. С. 260–283.
- Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Проблемы гидродинамики и их математические модели. М.: Наука, 1973. 416 с.
- Ламб Г. Гидродинамика. Т. 1, 2. М.: “ОГИЗ”, 1947. 929 с.
- Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. М.: Атомиздат, 1972. 599 с.
- Питаевский Л.П. Вихревые нити в неидеальном Бозе-газе // ЖЭТФ. 1961. Т. 40. С. 646–651.
- Gross E.P. Structure of a quantized vortex in boson systems // Il Nuovo Cimento. 1961. V. 20. № 3. P. 454–457.
- Абрикосов А.А. Сверхпроводники второго рода и вихревая решетка // УФН. 2004. Т. 174. № 11. С. 1234–1239.
- Ахиезер А.И., Барьяхтар В.Г., Пелетминский С.В. Спиновые волны. М.: Наука, 1967. 368 c.
- Derrick G.M. Comments on Nonlinear Wave Equations as Models for Elementary Particles // J. Math. Phys. 1964. V. 5. № 9. P. 1252–1254.
- Hobart R.H. On the Instability of a Class of Unitary Field Models // Proc. Phys. Soc. 1963. V. 82. № 2. P. 201–203.
- Борисов А.Б., Танкеев А.П., Шагалов А.Г. Новые типы двумерных вихреподобных состояний в магнетиках // ФТТ. 1989. Т. 31. № 5. С. 140–147.
- Khodenkov H.E. Nonstationary equations of motion for magnetic bubble domains // Phys. St. Sol. (a). 1981. V. 63. № 2. P. 461–473.
- Hudák O. On vortex configurations in two-dimensional sine-Gordon systems with applications to phase transitions of the Kosterlitz-Thouless type and to Josephson junctions // Phys. Lett. A. 1982. V. 89. № 5. P. 245–248.
- Сонин А.С. Введение в физику жидких кристаллов. М.: Наука, 1983. 320 с.
- Курик М.В., Лаврентович О.Д. Дефекты в жидких кристаллах: гомотопическая теория и экспериментальные исследования // УФН. 1988. Т. 154. № 3. С. 381–431.
- Березинский В.Л. Разрушение дальнего порядка в одномерных и двумерных системах с непрерывной группой симметрии I. Классические системы // ЖЭТФ. 1970. V. 59. № 3. C. 907–920.
- Kosterlitz J.M., Thouless D.J. Ordering, metastability and phase transitions in two-dimensional systems // J. Phys. C: Solid State Phys. 1973. V. 6. P. 1181–1203.
- Белавин А.А., Поляков А.М. Метастабильные состояния двумерного изотропного ферромагнетика // Письма в ЖЭТФ. 1975. Т. 22. № 10. С. 503–506.
- Рожков С.С. Топология, многообразия и гомотопия: основные понятия и приложения к моделям π–поля // УФН. 1986. Т. 149. № 2. С. 259–273.
- Розенфельд Б.А., Сергеева Н.Д. Стереографическая проекция. Серия “Популярные лекции по математике”. Вып. 53. М.: Наука, 1973. 48 c.
- Gross D.J. Meron configurations in the two-dimensional O(3) -model // Nucl. Phys. B. 1978. V. 132. № 5. P. 439–456.
- Переломов А.М. Решения типа инстантонов в киральных моделях // УФН. 1981. Т. 134. № 4. С. 577–609.
- Perelomov A.M. Chiral models: geometrical aspects // Phys. Rep. 1987. V. 146. № 3. P. 135–213.
- Сергеев А.Г. Гармонические отображения. Лекц. курсы НОЦ, 10. М.: МИАН, 2008. С. 3–117.
- Борисов А.Б. Спиральные вихри в ферромагнетике // Письма в ЖЭТФ. 2001. Т. 73. № 5. С. 279–282.
- Борисов А.Б., Долгих Д.В. Вихревые полосы в двумерном ферромагнетике // ФММ. 2023. Т. 124. № 4. С. 375–381.
- Byrd P.F. and Friedman M.D. Handbook of Elliptic Integrals for Engineers and Scientists. Springer–Verlag, New–York, Heidelberg, Berlin. 1971. 373 p.
- Изменение области определения двухвихревой структуры. Видеофильм https://youtu.be/vgMpEnrZSIY.
- Двухвихревая структура. Видеофильм https://youtu.be/gh0IbYMpfIU.
- Борисов А.Б. Интегрирование двумерной модели Гейзенберга методами дифференциальной геометрии // ТМФ. 2023. Т. 216. № 2. С. 302–314.
- Gouva M.E., Wysin G.M., Bishop A.R., Mertens F.G. Vortices in the classical two-dimensional anisotropic Heisenberg model // Phys. Rev. B. 1989. V. 39. № 16. P. 11840–11849.
- Wysin G.M. Instability of in-plane vortices in two-dimensional easy-plane ferromagnets // Phys. Rev. B. 1994. V. 49. № 13. P. 8780–8789.
- Борисов А.Б., Зыков С.А., Микушина Н.А. Вихри и магнитные структуры типа "мишени" в двумерном ферромагнетике с анизотропным обменным взаимодействием // ФТТ. 2002. Т. 44. № 2. С. 313–320.
- Skyrme T.H.R. A non-linear field theory // Proc. R. Soc. Lond. A. V. 260. P. 127–138.
- Skyrme T.H.R. Particle states of a quantized meson field // Proc. R. Soc. Lond. A. 1961. V. 262. P. 237–245.
- Skyrme T.H.R. A unified field theory of mesons and baryons // Nucl. Phys. 1962. V. 31. P. 556–569.
- Sondhi S.L., Karlhede A., Kivelson S.A. and Rezayi E.H. Skyrmions and the crossover from the integer to fractional quantum Hall effect at small Zeeman energies // Phys. Rev. B. 1993. V. 47. № 24. P. 16419–16426.
- Khawaja U.A., Stoof H. Skyrmions in a ferromagnetic Bose–Einstein condensate // Nature. 2001. V. 411. P. 918–920.
- Fukuda J., Žumer Sl. Quasi-two-dimensional Skyrmion lattices in a chiral nematic liquid crystal // Nat. Commun. 2011. № 2. Article No. 246.
- Богданов А.Н., Яблонский Д.А. Термодинамические устойчивые “вихри” в магнитоупорядоченных кристаллах. Смешанное состояние магнетиков // ЖЭТФ. 1989. Т. 95. № 1. C. 178–182.
- Богданов А.Н., Кудинов М.В., Яблонский Д.А. К теории магнитных вихрей в легкоосных ферромагнетиках // ФТТ. 1989. Т. 31. С. 99–104.
- Ivanov B.A., Stephanovich V.A., Zhmudskii A.A. Magnetic vortices — The microscopic analogs of magnetic bubbles // J. Magn. Magn. Mater. 1990. V. 88. № 1–2. P. 116–120.
- Bogdanov A.N., Hubert A. Thermodynamically stable magnetic vortex states in magnetic crystals // JMMM. 1994. V. 138. № 3. P. 255–269.
- Богданов А.Н. Новые локализованные решения нелинейных полевых уравнений // Письма в ЖЭТФ. 1995. Т. 62. № 3. C. 231–235.
- Bogdanov A., Hubert A. Thermodynamically stable magnetic vortex states in magnetic crystals // J. Magn. Magn. Mater. 1994. V. 138. № 3. P. 255–269.
- Rößler U.K., Bogdanov A.N., Pfleiderer C. Spontaneous skyrmion ground states in magnetic metals // Nature. 2006. V. 442. P. 797–801.
- Bogdanov A., Hubert A. The stability of vortex-like structures in uniaxial ferromagnets // J. Magn. Magn. Mater. 1999. V. 195. № 1. P. 182–192.
- Muhlbauer S., Binz B., Jonietz F. et al. Skyrmion Lattice in a Chiral Magnet // Science. 2009. V. 323. P. 915–919.
- Yu X.Z., Onose Y., Kanazawa N. et al. Real–space observation of a two-dimensional skyrmion crystal // Nature 2010. V. 465. P. 901–904.
- Munzer W., Neubauer A., Adams T. et al. Skyrmion lattice in the doped semiconductor Fe1–xCoxSi // Phys. Rev. B. 2010. V. 81. Article No. 041203(R).
- Moriya T. Anisotropic Superexchange Interaction and Weak Ferromagnetism // Phys. Rev. 1960. V. 120. № 1. P. 91–98.
- Дзялошинский И.Е. Теория геликоидальных структур в антиферромагнетиках. III // ЖЭТФ. 1964. Т. 47. № 3. С. 992–1002.
- Bak P., Jensen M.H. Theory of helical magnetic structures and phase transitions in MnSi and FeGe // J. Phys. C: Solid State Phys. 1980. V. 13. № 31. P. L881–L885.
- Chizhikov V.A., Dmitrienko V.E. Frustrated magnetic helices in MnSi-type crystals // Phys. Rev. B. 2012. V. 85. № 1. Article No. 014421.
- Ishikawa Y., Tajima K., Bloch D., Roth M. Helical spin structure in manganese silicide MnSi // Solid State Commun. 1976. V. 19. № 6. P. 525–528.
- Maleyev S.V. Investigation of Spin Chirality by Polarized Neutrons // Phys. Rev. Lett. 1995. V. 75. № 25. P. 4682–4685.
- Grigoriev S.V., Maleyev S.V., Okorokov A.I., Chetverikov Yu.O. and Eckerlebe H. Field-induced reorientation of the spin helix in MnSi near T c// Phys. Rev. B. 2006. V. 73. № 22. Article No. 224440.
- Grigoriev S.V., Maleyev S.V., Dyadkin V.A., Menzel D., Schoenes J. and Eckerlebe H. Principal interactions in the magnetic system Fe1–xCoxSi: Magnetic structure and critical temperature by neutron diffraction and SQUID measurements // Phys. Rev. B. 2007. V. 76. № 9. Article No. 092407.
- Grigoriev S.V., Dyadkin V.A., Menzel D., Schoenes J., Chetverikov Yu.O., Okorokov A.I., Eckerlebe H. and Maleyev S.V. Magnetic structure of Fe1–xCoxSi in a magnetic field studied via small-angle polarized neutron diffraction // Phys. Rev. B. 2007. V. 76. № 22. Article No. 224424.
- Grigoriev S.V., Maleyev S.V., Okorokov A.I., Chetverikov Yu.O., Böni P., Georgii R., Lamago D., Eckerlebe H. and Pranzas K. Magnetic structure of MnSi under an applied field probed by polarized small-angle neutron scattering // Phys. Rev. B. 2006. V. 74. № 21. Article No. 214414.
- Grigoriev S.V., Chernyshov D., Dyadkin V.A., Dmitriev V., Maleyev S.V., Moskvin E.V., Menzel D., Schoenes J. and Eckerlebe H. Crystal Handedness and Spin Helix Chirality in Fe1–xCoxSi // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 102. № 3. Article No. 037204.
- Uchida M., Onose Y., Matsui Y., Tokura Y. Real-space observation of helical spin order // Science. 2006. V. 311. P. 359–361.
- Siemens A., Rуzsa L., Vedmedenko E.Y. Controlled creation and stability of kπ–skyrmions on a discrete lattice // Phys. Rev. B. 2018. V. 97. № 17. Article No. 174436.
- Rybakov F.N., Kiselev Ni.S. Chiral magnetic skyrmions with arbitrary topological charge // Phys. Rev. B. 2019. V. 99. № 6. Article No. 064437.
- Видеофильмы “Skyrmionic sacks” https://www.youtube.com/@skyrmionicsacks4892.
- Uchida M., Nagaosa N., Tokura Y., Matsui Y. Topological spin textures in the helimagnet FeGe // Phys. Rev. B. 2008. V. 77. № 18. Article No. 184402.
- Борисов А.Б., Рыбаков Ф.Н. Спиральные структуры в геликоидальных магнетиках // Письма в ЖЭТФ. 2012. Т. 96. № 8. С. 572–575.
- Видеофильм “Archimedian spiral” https://www.youtube.com/watch?v=LVapNv850OA.
- Мамалуй Ю.А., Сирюк Ю.А. Устойчивые спиральные домены в пленках ферритов-гранатов // Изв. РАН. Сер. физическая. 2008. Т. 72. N 8. С. 1091–1093.
Arquivos suplementares
