실공간 자성이미징기법을 이용한 새로운 스커미온물질에서의 스커미온연구

정주영 포항공과대학교 일반대학원 2021 국내박사

소용돌이형태의 스핀구조체인 스커미온은 위상학적인 성질을 갖는 준입자이다. 이 위상학적 성질은 스커미온 넘버라고도 불리는 위상학적 전하 Q에 기인하며 스커미온은 \textit{Q} = 1 (중심의 자성 방향이 +\textit{n}$_{z}$인 경우) 을 만족한다. 이로 인해 스커미온은 일반적인 자기구역벽(magnetic domain wall)에 비해 백만 배 낮은 (10$^{-6}$) 전류로 움직일 수 있으면서도 매우 안정한 구조를 갖는다. 또한 스커미온은 나노미터 크기로 2차원상에 존재하며 일반 전류보다 뛰어난 스핀분극전류 반응성을 보인다. 이러한 성질들은 스커미온에게 차세대반도체와 스핀트로닉스소자 등으로 응용될 수 있는 뛰어난 가능성을 준다. \\ \indent 스커미온이 생성되는 물질에 따라 스커미온의 종류, 온도, 크기, 구동전류 등이 달라지는데, 이 중 응용에 가장 중요한 항목은 온도이다. 응용은 상온에서 이루어져야 하기 때문이다. 그러나 스커미온 연구 초반부의 유일한 스커미온 물질이었던 B20 카이랄 자성체(chiral magnet)소용돌이형태의 스핀구조체인 스커미온은 위상학적인 성질을 갖는 준입자이다. 이 위상학적 성질은 스커미온 넘버라고도 불리는 위상학적 전하 Q에 기인하며 스커미온은 Q = 1 (중심의 자성 방향이 +nz인 경우 을 만족한다. 이로 인해 스커미온은 일반적인 자기구역벽(magnetic domain wall)에 비해 백만 배 낮은 (10^-6( 전류로 움직일 수 있으면서도 매우 안정한 구조를 갖는다. 또한 스커미온은 나노미터 크기로 2차원상에 존재하며 일반 전류보다 뛰어난 스핀분극전류 반응성을 보인다. 이러한 성질들은 스커미온에게 차세대반도체와 스핀트로닉스소자 등으로 응용될 수 있는 뛰어난 가능성을 준다. 스커미온이 생성되는 물질에 따라 스커미온의 종류, 온도, 크기, 구동전류 등이 달라지는데, 이 중 응용에 가장 중요한 항목은 온도이다. 응용은 상온에서 이루어져야 하기 때문이다. 그러나 스커미온 연구 초반부의 유일한 스커미온 물질이었던 B20 카이랄 자성체(chiral magnet)들은 모두 상온보다 낮은 퀴리온도(Tc)를 가졌다. 이는 2015년에 발견된 Co-Zn-Mn을 제외하면 지금까지도 동일하다. 퀴리온도가 상온보다 낮다는 것은 상온에서 스커미온이 존재할 수 없다는 것을 의미하며 이는 응용에 매우 불리한 요소이다. 뿐만 아니라 응용을 위해서는 B20 카이랄 자성체라는 특별한 물질을 넘어 일반적인 구조의 더 많은 물질에서 스커미온을 발견해야 했다. 따라서 본 연구는 스커미온의 응용을 위해서 기존의 B20 카이랄 자성체보다 퀴리온도가 높은 물질이 많은 중심대칭성 자성체(centrosymmetric magnet)와 다층박막(multilayer)을 스커미온 물질로 선택하였다. 먼저 중심대칭성 자성체인 bilayer La2-2xSr1+2xMn2O7 (x=0.32) (LSMO) 에서 MFM을 이용하여 스커미온 혹은 스커미온의 전조(precursor)로 보이는 자성구조체를 발견하였다. 또한 자기장을 올렸다가 내리며 수지상(dendrite) - 스커미온 - 포화(saturation) - 스커미온 - 수지상의 전이(transition)와 리버서블(reversible) 거동을 관찰하였고, 온도를 내리며 spin reorientation transition (SRT)을 관찰하였다. 이 결과는 당시 2개 밖에 없던 중심대칭성 자성체의 스커미온(예비)물질을 추가로 발견하고 in situ로 온도와 자기장을 바꾸며 LSMO에서는 최초로 dendritic전이와 SRT의 중간과정을 관찰하였다는 의미가 있다. 또한 Pt/Co/Ru/Pt/CoFeB/Ru 다층박막 물질에서 자기장과 온도의 in situ LTEM 관찰을 통해 423 K - 733 K 에서 Néel-type 스커미온이 안정적인 초고밀도 상태로 존재하는 것을 발견하였고 Monte Carlo 시뮬레이션을 통해 이를 검증하였다. 본 연구에서 보인 다층박막물질 Néel-type 스커미온의 뛰어난 온도안정성은 국부적으로 가열이 일어날 수 있는 스커미온 디바이스 등의 응용에 긍정적으로 작용한다. 또한 초고밀도 스커미온 상의 응용이나 박막의 구성변화를 통해 초고밀도 스커미온상을 상온까지 내리는 등의 추가연구도 기대할 수 있다. 다음으로 실생활에 많이 쓰이는 영구자석인 중심대칭성 자성체 Nd2Fe14B에서 필드쿨(field cooling)을 이용하여 새로운 형태의 스커미온과 스커미오닉버블을 발견하고 그 성질을 살펴보았다. 단축비등방성(uniaxial anisotropy)은 스커미온의 형성을 억제한다고 알려져 있기 때문에, 강한 단축비등방성을 갖는 강한 자석(hard magnet)인 Nd2Fe14B에서 스커미온이 나온 것은 놀라운 일이다. 일반적인 스커미온은 선형(stripe) 도메인에서 자기장을 올리며 생성되는데 Nd2Fe14B에서는 이 방법으로 스커미온이 생성되지 않았고 특정 자기장범위(0.15 - 0.20 T)의 필드쿨을 통해서만 생성되었다. 그리고 온도를 계속 내리면 스커미온이 스커미오닉 버블로 상전이하였다. 발견한 스커미온은 기존의 스커미온과는 다르게 쉘이 둘러싸고 있었고, 반대방향의 helicity가 함께 공존하였으며, 열적 요동에 의해 반대 helicity로 바뀌는 helicity reversal이 관찰되었다. 스커미오닉 버블은 넓은 온도와 자기장 범위(295-565 K, 0-0.98 T)에 존재하였는데, 그 형태가 자기장과 두께에 민감하게 변하였다. 본 연구는 스커미온이 나오지 않을 것으로 생각되던 물질을 스커미온 물질에 추가하였을 뿐만 아니라 스커미온이 나오지 않던 물질에서 필드쿨을 활용하여 스커미온을 발견할 수 있는 새로운 방법을 제시하였다. 또한 필드쿨의 조정을 통해 완전히 다른 자성 특성을 보이게 한 것은 스커미온 분야를 넘어 다른 자성분야에도 적용될 수 있다. 마지막으로 상온에서 스커미오닉 버블에 전류를 인가하여 움직이게 하였다. 스커미오닉 버블은 위상학적 전하가 0 이기때문에 스커미온처럼 작은 전류로 움직일 수 없다고 알려져 있다. 하지만 시편에 두께 기울기(thickness gradient)를 주어서 스커미온과 비슷한 크기의 매우 작은 전류(~10^9 A/m^2)로 움직이게 하였다. 이는 스핀전달토크(spin transfer torque)가 작용한 것이 아니라 시편의 형상학적 효과와 전류에 의한 Joule heating이 결합하여 생긴 새로운 현상으로, 스커미오닉 버블의 움직임을 통한 응용 또는 스커미온의 구동전류를 줄이는데 활용될 수 있다. Vortex-shaped spin structures, also known as skyrmions, are quasi-particles with topological properties. These properties are caused by the topological charge Q, or the skyrmion number, which satisfies Q = 1 for a core magnetization of +nz. Owing to their topological properties, skyrmions possess a stable structure and can move at an electric current that is significantly lower (10-6) than that of a conventional domain wall. Moreover, skyrmions exist in 2D at a nanometer scale and exhibit excellent reactivity to spin-polarized currents compared with normal currents. Owing to the aforementioned properties, skyrmions have excellent potential for application in next-generation semiconductors and spintronics. Depending on the host material, the type, temperature, size, and driving current of a skyrmion can change. Among these, the most important factor is temperature, as skyrmions are mainly used at room temperature (RT). However, B20-structured chiral magnets, which are the existing host materials, exhibit a Curie temperature (Tc) that is lower than RT. If Tc is lower than RT, skyrmions cannot exist at RT, which makes its application extremely difficult. In addition, to assist the application of skyrmions, it is necessary to determine host materials with general structures that differ from that of B20-structured chiral magnets. Therefore, I selected centrosymmetric magnets and multilayers as host materials as their Tc is higher than that of conventional host materials, i.e., B20 chiral magnets. First, I discovered a skyrmion or skyrmion precursor in a centrosymmetric magnet bilayer La2-2xSr1+2xMn2O7 (x=0.32) (LSMO) using magnetic force microscopy (MFM). In addition, the transition and reversible behaviors of dendrite-skyrmion-saturation-skyrmion-dendrite were observed by raising and reducing the magnetic field. Moreover, a spin reorientation transition (SRT) was observed when the temperature was reduced. These results are significant as I observed the process of the dendritic transition and SRT for the first time in LSMO and discovered new candidates for skyrmion-hosting centrosymmetric magnets. In Pt/Co/Ru/Pt/CoFeB/Ru multilayer films, using in situ Lorentz transmission electron microscopy (LTEM), it has been found that Neel-type skyrmions exist in a stable ultra-high-density state at 423–733 K. This phenomenon has been verified by Monte Carlo simulations. The excellent temperature stability of Neel-type skyrmions in multilayer films is beneficial for skyrmion devices that can be heated locally. In addition, further research is expected for other possible applications, which may help reduce the temperature of ultra-high-density skyrmion states. Next, I discovered new types of skyrmions and skyrmionic bubbles in the centrosymmetric permanent magnet Nd2Fe14B by field cooling (FC) and investigated their properties using LTEM. As uniaxial anisotropy suppresses the formation of skyrmions, it is remarkable to observe skyrmions in Nd2Fe14B—a hard magnet with high uniaxial anisotropy. In general cases, skyrmions are generated by raising the magnetic field in the stripe domain. However, this is not the case for skyrmions in Nd2Fe14B. The only way to generate skyrmions is through FC within the range of 0.15–0.20 T. As the temperature decreases, skyrmions become skyrmionic bubbles. Unlike conventional skyrmions, the skyrmions in Nd2Fe14B are surrounded by a shell and coexist in opposite helicities. Moreover, a helicity reversal is observed, in which the skyrmions in opposite helicities are reversed without any manipulation. These skyrmionic bubbles exist in a wide range of temperatures and magnetic fields (295–565 K, 0–0.98 T). Further, it is experimentally confirmed that the properties of skyrmionic bubbles are significantly affected by magnetic field and thickness. These discoveries in Nd2Fe14B indicate that a hard magnet can be added to a new skyrmion-hosting material and skyrmions can appear in various materials using the FC method. In addition, the FC method, which can modify magnetic properties by varying the small FC field, can be applied to other magnetic studies beyond skyrmions. Finally, a current was applied at RT to move skyrmionic bubbles in Nd2Fe14B. Unlike skyrmions, a skyrmionic bubble cannot move with a small current as its topological charge is zero. However, by introducing a thickness gradient into the specimen, I successfully made the skyrmionic bubbles move at a small current of ~109 A/m2. Instead of spin-transfer torque, the combination of Joule heating based on the specified current and the geometric effect of the specimen will affect the motion of the skyrmionic bubbles.

Manipulation of a magnetic skyrmion in ferromagnetic thin nanostructures

Dae-Han Jung Ulsan National Institute of Science and Technology 2022 국내박사

Stabilization of Zero-field Skyrmions in Few-period [Pt/Co/Ta]₃ Multilayers

Su-Mi Lee Ulsan National Institute of Science and Technology 2025 국내석사

Dynamics of Magnetic Skyrmions in Curved Geometries

양재학 서울대학교 대학원 2021 국내박사

Magnetic skyrmions are non-trivial topologically stable spin textures observed in bulk crystals and ultrathin-film layered structures due to broken inversion symmetry and strong spin-orbit coupling. Recent theoretical studies have revealed that three-dimensional curved geometries enable robust effective magnetic interactions of curvature-induced magnetic anisotropy and Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI), enhancing the stability of the skyrmion. This thesis deals with the formation and dynamic behavior of magnetic skyrmions in curved structures such as nanotubes and hemispherical shells using micromagnetic simulations. We study static and dynamic properties of skyrmions in magnetic nanotubes with easy-axis anisotropy in surface normal directions. These magnetic skyrmions on the tube have two distinct differences compared to their planar counterpart: (i) they are the elliptical shape and (ii) can be stabilized by curvature effects, depending on the sign of DMI constant. For positive (negative) DMI constants, the long axis of the elliptical shape is parallel (perpendicular) to the longitudinal axis of the tube, preferring (suppressing) the formation of skyrmion of the curved surface. These effects enhance as the curvature of the tube increases and quantitatively demonstrate the existence of curvature-induced DMI. Like the dynamic modes of the skyrmion on a planar film, the skyrmion of the tube has two in-plane rotation modes either counterclockwise (CCW) or clockwise (CW) mode as well as one out-of-plane breathing mode. In contrast to the planar case where both gyration modes have circular symmetry, the skyrmion’s core rotates in a vertical oval (circular) orbit for the CCW (CW) gyration mode. With increasing strength of in-plane ac field above its threshold strength, the CCW gyration motion becomes a periodic translational motion in the circumferential direction. The rotation sense of this periodic translational motion is determined by the skyrmion helicity that is governed by the sign of the interfacial DMI constant. We studied the stabilization of topological magnetic textures of vortex, skyrmion, skyrmioniums in magnetic hemispherical shells with respect to perpendicular magnetic anisotropy (PMA) constant, DMI constant, as well as the shell diameter. As the curvature increases further, the geometrical confinement of hemispherical shells affect more significantly the stabilization of skyrmions owing to curvature-induced DM like interaction: skyrmions can be stabilized in shells of 2R < 25 nm even in the absence of intrinsic DMI. We also investigated characteristic dynamic properties of skyrmions excited by in-plane and out-of-plane AC oscillating magnetic fields. Similar to the dynamic modes found in planar dots, the in-plane gyration mode as well as the out-of-plane breathing mode were also found, but additional higher-frequency hybrid modes appeared due to the coupling with spin-wave modes with azimuthal and radial symmetry. Based on the fundamental understanding of eigenmodes of skyrmion in hemispherical shells, we found a novel switching mechanism of skyrmon polarity through a transient skyrmionium state using very low strength of AC magnetic fields. The present study provides a fundamental understanding of the static and dynamic characteristics of skyrmions in curved geometry and also suggests its possible application to low-power consumption and high-density information storage devices. 자성 스커미온은 강한 스핀-궤도 결합과 역전 대칭이 깨진 자성 물질에서 안정적으로 형성되며 위상학적인 안정성을 가지는 독특한 스핀 구조이다. 자성 스커미온은 학문적인 관심뿐만 아니라 다양한 응용 가능성으로 많은 연구자들에 의해 연구되고 있다. 최근 곡면 구조에서는 곡률로 인해 발생하는 자기이방성 및 잘로신스키-모리야 상호작용의 변화를 통해 자성 스커미온이 안정화 될 수 있는 이론적 연구 결과가 보고되었다. 본 학위 논문에서는 나노 튜브 및 나노 반구껍질과 같은 곡면 구조에서 나타나는 자성 스커미온의 안정적인 형성 메커니즘 및 동적 거동에 대해 미소자기 전산모사 방법을 이용하여 연구 분석하였다. 자성 스커미온의 동적 거동을 수치적으로 계산하기 위해 Landau-Lifshitz-Gilbert 식 기반의 유한요소법 magnum.fe 코드가 사용되었다. 먼저, 표면에 대해 수직 자기 이방성을 갖는 나노 튜브에서 자성 스커미온의 안정성과 공명 모드를 통한 선형 운동을 확인하였다. 평면 구조에서 원형 모양으로 형성된 스커미온과 다르게, 타원 모양으로 형성된 곡면에서의 스커미온은 잘로신스키-모리야 상수의 부호에 따라 그 안정성이 크게 변화한다. 나노튜브에서 형성된 스커미온의 동적 모드는 시계 반대 방향 및 시계 방향으로 회전하는 두 개의 회전 모드와 하나의 호흡 모드가 발견된다. 또한 기존 평면 구조에서 존재하지 않는 새로운 동적 모드가 발견된다. 축 방향 교류 자기장의 강도가 임계 자기장 세기보다 큰 경우, 시계 반대 방향으로 스커미온의 회전 운동은 튜브의 원주 방향으로 선형 병진 운동으로 변화한다. 이 때, 스커미온 선형 운동의 방향 및 속도는 잘로신스키-모리야 상수의 부호와 크기에 따라 결정된다. 자기 반구형 쉘에서는 자기 물질 상수 및 구조 변수의 변화에 따라 자기 소용돌이, 스커미온, 스커미오니엄 등의 안정된 평형 스핀 구조를 얻었다. 특히 스커미온의 경우 반구껍질의 곡률이 증가함에 따라 유효 잘로신스키-모리야 상호작용의 영향이 커져 안정성이 향상된다. 이러한 현상을 통해 지름이 25 nm 이하의 반구 껍질에서는 잘로신스키-모리야 상호작용이 존재하지 않더라도 곡률에 의해서만 스커미온이 형성 될 수 있다. 또한 평면에서 발견된 동적 모드와 유사하게, 회전 모드와 호흡 모드와 같은 동적 모드도 발견되었으며 고주파 대역에서는 추가적인 하이브리드 모드가 발견되었다. 마지막으로 반구껍질에서 얻어진 스커미온 고유 모드에 대한 근본적인 이해를 바탕으로, 매우 낮은 강도의 교류자기장을 사용하여 스커미오니엄 상태를 지나 반대 극성을 사지는 스커미온으로 스핀 구조를 전환할 수 있는 메커니즘을 확인하였다. 본 연구는 곡선형 기하학 시스템에서 형성된 스커미온의 안정적인 형성 메커니즘 및 공명 주파수를 통한 동적 모드 여기에 대한 근본적인 이해를 제공하고 이를 통해 고밀도 정보 저장 장치에서 저전력 제어에 대한 가능성을 보였다는데 그 의의를 갖는다.

자구벽 스커미온의 생성과 동역학

김범준 전남대학교 2023 국내석사

A domain wall skyrmion refers to a spin structure that contains a magnetic skyrmion in the domain wall. The magnetic skyrmion is a swirling spin structure in the magnetic thin film, which is a type of topological soliton with topological characteristics. Due to its topological properties, research on magnetic skyrmion is actively conducted for their potential use in future spintronic memory devices. The subject of this thesis research is the domain wall skyrmion, which is another type of skyrmion that is topologically equivalent to the magnetic skyrmion. While the magnetic skyrmion has been extensively studied in terms of various creation methods and observations, research on the domain wall skyrmion is still lacking. Therefore, in this thesis, creation and detection of the domain wall skyrmion is investigated. Also, experiments to confirm the proposed schemes are performed. It is expected that this research will serve as a foundation for future studies on domain wall skyrmion. 자구벽 스커미온(domain wall skyrmion)은 자성 박막의 자구벽 구조 내부에 자기 스커미온(magnetic skyrmion)이 존재하는 형태의 스핀 구조를 칭한다. 여기서 자기 스커미온은 자성 박막 내에 존재하는 소용돌이 모양의 스핀 구조로 위상학적 솔리톤(topological soliton)의 한 종류이며 그 위상학적 특성으로 인해 미래 스핀트로닉스(spintronics) 메모리 소자로 사용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문의 연구 대상인 자구벽 스커미온은 또 다른 유형의 스커미온으로 자기 스커미온과 위상적으로 동등함은 물론 더 높은 활용 가능성을 갖고 있어 과학적으로 매우 흥미로운 구조이나, 현재까지 다양한 생성 방법과 관찰이 이루어진 자기 스커미온과는 달리 자구벽 스커미온에 대한 연구는 미흡한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 자구벽 스커미온의 생성 방법과 그 결과, 자구벽 스커미온 동역학을 이용한 검출 방법, 자구벽 스커미온 생성 실험을 진행했으며, 이는 향후 자구벽 스커미온 연구에 초석이 될 것이라 기대된다.

Chaos Dynamics in Topologically Nontrivial Spin Textures and its Applications to Chaos and Probabilistic Computing

박규영 서울대학교 대학원 2024 국내박사

Topologically nontrivial spin textures are spin configurations that cannot be continuously transformed into uniform or trivial spin configurations without crossing an energy barrier or undergoing a phase transition. Representative examples include magnetic skyrmions and magnetic vortices. These solitons possess topological stability, can be scaled down to the nanoscale, and exhibit rapid mobility with low energy consumption compared to carriers in conventional semiconductor devices, making them promising candidates for next-generation information processing, transfer, and storage devices. This thesis investigates the nonlinear and chaotic dynamics of magnetic skyrmions and vortices using micromagnetic simulations, proposing applications in chaos computing and probabilistic computing. Geometric roulette is employed to analyze the nonlinearities in the in-plane motion trajectories of these solitons. As the nonlinearity increases, chaotic behavior highly sensitive to initial conditions emerges. Specifically, chaotic topological charge reversal (or core magnetization reversal, hereafter referred to as magnetization reversal) is observed in magnetic vortices, while skyrmion annihilation occurs in magnetic skyrmions. Meanwhile, to observe the dynamic changes occurring perpendicular to the plane, magnetization reversal was analyzed. When controlling the magnetic vortex with an oscillating magnetic field, different control parameters revealed regions where magnetization reversal did not occur, regions where it occurred regularly, and regions where it occurred chaotically. Additionally, it was observed that the basins of attraction varied continuously with the shape and frequency of the applied magnetic field. When controlling the perpendicular magnetic anisotropy of magnetic skyrmions using a periodic sinusoidal function, numerous regular patterns emerged depending on the control parameters. In contrast, other control parameters resulted in irregular patterns that changed chaotically, highly sensitive to the initial conditions. A conceptual design and implementation method for chaos computing is proposed using the chaotic magnetization reversal of magnetic skyrmions. This device can perform 16 types of two-input logic operations in a reconfigurable format by altering the initial conditions of a single skyrmion. Traditional chaos computing has the drawback of reduced calculation reliability due to results being highly sensitive to initial conditions. To overcome this, an initial condition ensemble method is proposed, where initial conditions that produce the same result are clustered together. Additionally, a probabilistic computing method is proposed using the chaotic magnetization reversal of magnetic vortices, which exhibit extreme sensitivity to minute changes in initial conditions induced by the principles of quantum mechanical uncertainty or thermodynamic entropy variations. The probability of the randomly generated bit signals was controlled via an external parameter known as the threshold duration time. The chaos computing and probabilistic computing methods proposed in this thesis are not limited to spintronics or skyrmionics. They represent general mechanisms that can be implemented with chaotic dynamics in various physical systems.

Efficient modulation of magnetic states for low-power future spintronic devices

송경미 숙명여자대학교 대학원 2018 국내박사

Efficient control of magnetic state is the basis for implementing a high-performance, low-power solid-state spintronic device. Manipulating magnetic textures such as magnetization and skyrmion not only provides a way to control the magnetism that can be utilized in real device, but also provides a physical understanding of new phenomena resulting from spin-charge and spin orbital interaction at interface of magnetic materials. In this thesis, we investigate new mechanisms for efficiently modulation of magnetic textures such as collinear magnetization and skyrmions. We first show that magnetization at the ferromagnet/heavy metal interface can be modulated by electric-field observed by element and interface sensitive X-ray resonant scattering. We then focus on pure spin currents generated at the interface between an ultrathin ferromagnet and a heavy metal due to spin Hall effect induced by strong spin orbit interaction. We reveal that spin Hall efficiency can be amplify by controlling ferromagnet/heavy metal interface quality. This work shows the essential role of interface quality in magnetization switching. Lastly, by introducing Dzyaloshinskii-Moriya interaction at ferromagnet (or ferrimagnet)/heavy metal interface, we first demonstrate that antiferromagnetically coupled skyrmions can be stabilized at room temperature and show current-induced straight motion of without skyrmion Hall effect. Moreover, deterministic creation and annihilation of single ferrimagnetic skyrmions by spin-Hall spin-orbit torques reveal by time-resolved X-ray transmission microscopy for the first time. These findings provides not only promising dynamic properties of magnetic skyrmions but also possibilities to build reliable skyrmion device using ferromagnetic materials. We further study the nanosecond skyrmion dynamic motion manipulated by spin-orbit torques. This work provides efficient control of magnetic skyrmions dynamically and possibility to utilize in broadband skyrmion devices. 자기 상태를 효율적으로 동작시키는 것은 고집적, 초저전력의 스핀트로닉스 소자를 구현하기 위해 필수적인 요소입니다. 자화방향 혹은 자성 스커미온 같이 자성 상태를 변화시키는 것은 실제 소자에서 정보를 저장하고 읽고 쓸수 있는 방법을 제공하며 또한 스핀 궤도 상호작용으로 인한 새로운 물리적 현상에 대한 원리를 이해하는데 도움을 줄 수 있습니다. 본 논문에서는 자화방향 및 자성 스커미온과 같은 자기 텍스터의 효율적인 동작을 위한 새로운 매커니즘을 연구하며 새로운 물리적 현상들을 밝혔습니다. 먼저, 강자성체와 중금속 계면에서의 자기이방성 에너지를 전기장으로 변화시켰으며 이를 계면 특성을 관측할 수 있는 X-ray resonant magnetic scattering를 이용하여 보였습니다. 또한 강한 스핀 궤도 상호작용에 의해 유도된 스핀 홀 효과로 인해 생기는 강자성체와 중금속 사이의 계면에서 발생되는 스핀홀효율이 계면의 특성을 제어함으로써 더 증가 (혹은 감소)되는 것을 관측하였습니다. 이러한 결과는 자화의 방향을 반전시킬때, 계면의 성질이 핵심적인 역할을 함을 보여줍니다. 마지막으로 강자성체/중금속 계면에서 발생하는 독특한 상호 작용인 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용이 만들어내는 자성 스커미온을 전류를 이용하여 생성, 지움, 그리고 이동을 할 수 있음을 실험적으로 증명하였습니다. 특히 새로운 물질인 준강자성체를 사용하여 만들어진 준강자성체 스커미온은 스핀 궤도 토크에 의해 특정 위치에서 생성과 지워짐이 가능함을 시간 분해 X-ray transmission microscopy를 이용하여 관측하였으며 또한 만들어진 준강자성체 스커미온을 전류를 이용하며 이동시킬때, 기존 강자성체에서 소자적 측면에서 문제가 되어왔던 스커미온 홀 효과를 획기적으로 줄일 수 있음을 보였습니다. 마지막으로 스핀궤도 토크에 위해서 자성 스커미온이 나노 초 단위로 동적움직임을 보임을 연구하였습니다. 이러한 결과들은 차세대 반도체 메모리소자인 MRAM을 상용화시킬 수 있는 새로운 방법을 제시하였으며 초고집적 초저전력 메모리 소자를 구현하는데 기여할 것으로 기대합니다.

A Study on Gradual Unipolar Electrical Switching in Skyrmions-based Perpendicular Magnetic Tunnel Junction Spin Valves

김민철 한양대학교 대학원 2026 국내석사

A Study on Gradual Unipolar Electrical Switching in Skyrmions-based Perpendicular Magnetic Tunnel Junction Spin Valves Min Cheol Kim Department of Nanoscale Semiconductor Engineering The Graduate School of Hanyang University Conventional magnetic random access memory (MRAM) typically exhibits step-like hysteresis behavior in resistance switching, which limits its applicability in future multifunctional and neuromorphic technologies. To achieve the multi-level conductance required for advanced AI hardware, recent studies have integrated MRAM with magnetic skyrmions, which are promising for spintronic due to their nanoscale size, nonvolatility, ultralow power consumption and topological stability. In this study, I propose skyrmions-based perpendicular magnetic tunnel junctions (SK- pMTJ) spin-valves with a 5-μm-diameter pillar structure. Skyrmions are generated by inserting an additional W layer between the MgO tunnel barrier and CoFeB free layer. The formation of skyrmion is strongly influenced by perpendicular magnetic anisotropy (PMA) and the Dzyaloshinskii–Moriya interaction (DMI). The W insert layer reduces the PMA and coercivity while maintaining the DMI strength. The electrical resistance of MRAM depends on the relative spin alignment of the ferromagnetic layers: parallel alignment yields a low-resistance state, whereas antiparallel alignment produces a high-resistance state. In the proposed structure, partial generation and annihilation of skyrmion and stripe domains under an external magnetic field induce gradual resistance modulation. Furthermore, the reduced coercivity enables spin rotation that would otherwise be fixed under a saturation magnetic field, resulting in symmetric R- H curves. To precisely investigate thickness-dependent behavior, SK-pMTJ thin films were fabricated using 12-inch sputtering and annealing equipment, ensuring high uniformity and repeatability. Skyrmion generation and annihilation were observed under external magnetic field using magneto-optical Kerr effect (MOKE). As a result, the skrmion density increased progressively with magnetic field strength, and the R–H curve exhibited symmetric multi- level resistance states, demonstrating synaptic-like functionality. Overall, this study demonstrates that the proposed SK-pMTJ device shows strong potential for neuromorphic computing and next-generation memory applications.

A Study on Generation and Annihilation of Skyrmions in Perpendicular-Magnetic Tunnel Junction with Tungsten Insertion Layer Via HfOx/Pt Vertical Electrodes

신연수 한양대학교 대학원 2025 국내석사

자기 박막에서 스커미온의 전류-유도 동역학

심재훈 전남대학교 2023 국내석사

최근 스핀트로닉스 분야에선 빠른 속도로 작동하는 MRAM(Magnetic Random Access Memory)의 개발을 위해서 전류를 통한 자성 소자의 통제 방법에 대해 연구하고 있다. 이러한 연구 중 스커미온(skyrmion) 기반의 메모리 소자가 제안되어 왔다. 이를 위해선 스커미온의 전류-유도 동역학에 대한 이해가 필요하며 스커미온은 기존에 연구된 자구벽의 전류-유도 동역학과 다른 현상들이 존재하므로 추가적인 연구가 필요하다. 특히 저 전류 영역에서 깡충 뛰기 운동(hopping motion)에 의해 크리프 법칙보다 속도가 빨라지는 현상이 존재한다. 본 연구에선 스커미온의 크기나 구조와 깡충 뛰기 운동의 상관관계를 밝혀내고자 한다. 이를 통해 저 전류 영역에서 스커미온의 속도를 증가시켜 빠른 속도의 저 전류 구동이 가능해질 것으로 기대된다. A recently, spintronics have studied that current controlled magnetic memory for development of MRAM that higher speed write operation. One of the proposed magnetic memory is skyrmion-based logic device. The logic device needs to understand the current induced dynamics of skyrmion. But skyrmion motion is different from the current induced domain wall motion. Therefore, the current-induced dynamics of skyrmion necessary to study. In particular, phenomenon that domain wall motion more high-speed than creep law exists by hopping motion in ultra-low current region. This study will discover correlation between skyrmion motion and skyrmion property (skyrmion size and structural topology of skyrmion). Based on the results, we expect memory devices to be probable to operate on high-speed in low current by increasing skyrmion velocity in low current region.