Design of 2D Skyrmionic Metamaterial Through Controlled Assembly

要約

磁気スキルミオンとアンチスキルミオンに関する広範な研究にもかかわらず、さまざまなトポロジー、さらにはオーダーメイドのトポロジーを備えた、自明ではない高次のスキルミオン テクスチャを作成することには、大きな課題が残されています。
私たちは、単層薄膜内のスキルミオニクス メタマテリアルの構築経路に焦点を当てることでこの課題に取り組み、驚くほど安定したいくつかの有望な格子状、フレーク状、セル状のスキルミオニクス メタマテリアルを提案します。
私たちのアプローチの中心となるのは、「シミュレートされた制御アセンブリ」の概念です。つまり、トポロジカル磁気構造を好きな場所に配置し、安定性を解明するためにエネルギーを最小化できるようにする「クリックケミストリー」に触発されたプロトコルです。
ハイスループットの原子スピンダイナミック (ASD) シミュレーションと最先端の AI 駆動ツールを利用して、孤立したスキルミオン (トポロジー電荷 Q=1)、アンチスキルミオン (Q=-1)、およびスキルミオニウム (Q
=0)。
これらのエンティティは、報告されている複雑なテクスチャを形成するための基礎的な「スキルミオニック構成要素」として機能します。
この研究では、スキルミオニック システムの分野に対する 2 つの重要な貢献が紹介されています。
まず、トポロジカル磁石の安定化と調査のための制御アセンブリ プロトコルを統合する新しい方法を紹介します。これは、新しいスキルミオニック テクスチャを探索する能力の大幅な進歩を示します。
次に、スキルミオニック メタマテリアルの発見について報告します。このメタマテリアルは、理論的および実験的に調査可能な多数の複雑なトポロジーを示しています。

要約(オリジナル)

Despite extensive research on magnetic skyrmions and antiskyrmions, a significant challenge remains in crafting nontrivial high-order skyrmionic textures with varying, or even tailor-made, topologies. We address this challenge, by focusing on a construction pathway of skyrmionics metamaterial within a monolayer thin film and suggest several promising lattice-like, flakes-like, and cell-like skyrmionic metamaterials that are surprisingly stable. Central to our approach is the concept of ‘simulated controlled assembly’, in short, a protocol inspired by ‘click chemistry’ that allows for positioning topological magnetic structures where one likes, and then allowing for energy minimization to elucidate the stability. Utilizing high-throughput atomistic-spin-dynamic (ASD) simulations alongside state-of-the-art AI-driven tools, we have isolated skyrmions (topological charge Q=1), antiskyrmions (Q=-1), and skyrmionium (Q=0). These entities serve as foundational ‘skyrmionic building blocks’ to forming reported intricate textures. In this work, two key contributions are introduced to the field of skyrmionic systems. First, we present a novel method for integrating control assembly protocols for the stabilization and investigation of topological magnets, which marks a significant advancement in the ability to explore new skyrmionic textures. Second, we report on the discovery of skyrmionic metamaterials, which shows a plethora of complex topologies that are possible to investigate theoretically and experimentally.

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