Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2023, 14 (2), 216–222
Nucleation and collapse of magnetic topological solitons in external magnetic field
Maria N. Potkina – ITMO University, St. Petersburg, 197101, Russia; potkina.maria@yandex.ru
Igor S. Lobanov – ITMO University, St. Petersburg, 197101, Russia; lobanov.igor@gmail.com
Valery M. Uzdin – ITMO University, St. Petersburg, 197101, Russia; v_uzdin@mail.ru
Corresponding author: M. N. Potkina, potkina.maria@yandex.ru
DOI 10.17586/2220-8054-2023-14-2-216-222
ABSTRACT The dependence of the lifetimes and rates of spontaneous nucleation of topological magnetic solitons on the external magnetic field is calculated within the framework of the harmonic transition state theory for magnetic degrees of freedom. For two-dimensional magnetic skyrmions, the influence of the magnetic field on the collapse rate was found to be greater than on the nucleation rate. This is explained by the weaker dependence of the energy of the transition state on the external field compared to the energy of the metastable skyrmion. The balance of the nucleation and collapse of skyrmion rates makes it possible to determine the average equilibrium concentration of skyrmions in a thin film as a function of the external field and temperature. It is shown that skyrmion and antiskyrmion states can exist simultaneously in quasi-two-dimensional thin films in tilted external magnetic field. The minimum energy paths for the collapse of these topological solitons and magnetic configurations in the vicinity of saddle point have been found and compared.
KEYWORDS transition state theory, topological magnetic solitons, nucleation, collapse, lifetime.
ACKNOWLEDGEMENTS The study was supported by the Russian Science Foundation grant No. 22-72-00059, https://rscf.ru/en/project/22-72-00059/.
FOR CITATION Potkina M.N., Lobanov I.S., Uzdin V.M. Nucleation and collapse of magnetic topological solitons in external magnetic field. Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2023, 14 (2), 216–222.
[In Russian] М.Н. Поткина, И.С. Лобанов, В.М. Уздин
Нуклеация и коллапс магнитных топологических солитонов во внешнем магнитном поле
АННОТАЦИЯ В рамках гармонического приближения теории переходного состояния для магнитные степени свободы рассчитана зависимость времен жизни и частот спонтанного зарождения топологических магнитных солитонов от внешнего магнитного поля. Для двумерных магнитных скирмионов влияние магнитного поля на частоту распадов оказалась больше, чем на частоту процессов зарождения. Это объясняется более слабой зависимостью от магнитного поля энергии переходного состояния по сравнению с энергией метастабильного состояния скирмиона. Баланс частот нуклеации и коллапса скирмионов позволяет определить среднюю равновесную концентрацию скирмионов в тонкой пленке в зависимости от внешнего поля и температуры. Показано, что скирмионное и антискирмионное состояния могут существовать одновременно в квазидвухмерных тонких пленках в наклонном внешнем магнитном поле. Найдены магнитные конфигурации вблизи седловой точки и проведено сравнение путей с минимальным перепадом энергии для коллапса этих топологических солитонов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА теория переходного состояния, топологические магнитные солитоны, нуклеация, коллапс, время жизни.
