Skyrmion phases in magnetic nanosystems
Manyetik nanosistemlerde skyrmion fazları
- Tez No: 1018186
- Danışmanlar: PROF. DR. ÜMİT AKINCI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Dokuz Eylül Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
- Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanoteknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez, nanopartiküller, nanoteller, ince filmler, nanotüpler, çift katmanlı ve çok katmanlı yapılar gibi manyetik nano sistemlerde skyrmion ve bimeron fazları da dahil olmak üzere spin yapılarının oluşumunu, yok oluşunu, birbirine dönüşümünü ve kararlılığını araştırmaktadır. Denge ve dinamik manyetik davranışlar, mikromanyetik simülasyonlar ve Monte Carlo yöntemleri kullanılarak analiz edilmektedir. Simülasyonlar, farklı etkileşimlerden kaynaklanan etkin alan katkılarını dikkate almaktadır. Simülasyonlarda kullanılan sayısal algoritmalar tanıtılmakta ve analiz edilmektedir. Manyetik nano sistemlerdeki skyrmion ve bimeron fazları, Monte Carlo simülasyonları kullanılarak araştırılmaktadır. Bu fazlar, değişen ferromanyetik ve antiferromanyetik katmanlar arası etkileşim kuvvetleri altında, üç katmanlı ve beş katmanlı sistemler de dahil olmak üzere çift katmanlı ve çok katmanlı yapılarda incelenmektedir. Her iki katmanda da belirgin spin spiral (SS) fazları gözlemlenirken, çift katmanlı sistemlerde daha düşük DM etkileşimi ve manyetik alan değerlerinde skyrmion (SkX) fazları kaybolmaktadır. Antiferromanyetik katmanlar arası etkileşim zayıf olduğunda ve hem manyetik alan hem de DM etkileşimi düşük olduğunda, skyrmion merkezleri her katmanda aynı pozisyonlarda hizalanır; çekirdek bir katmanda yukarı, diğerinde aşağı doğru yönlendirilir. Kolay düzlem anizotropisinin, DM etkileşiminden etkilenen çift katmanlı bir ferromanyette ortaya çıkan karmaşık topolojik spin dokularını nasıl şekillendirdiğini inceliyoruz. Monte Carlo simülasyonları, artan anizotropinin skyrmion durumuna kıyasla meron-antimeron denge durumunu desteklediğini göstermektedir. Antiferromanyetik olarak bağlanmış ferromanyetik çift katmanlarda, meronlar öncelikle manyetik anizotropi tarafından belirlenir. Meronlar için, kolay düzlem anizotropisinin gücü baskın faktör olabilir. Kolay düzlem anizotropisi, düzlem içi spin hizalamasını koruyarak meron-antimeron fazlarını stabilize ederken, kolay eksen anizotropisi skyrmion çekirdeklerinin genişlemesini ve bunların antimeronlara dönüşmesini kolaylaştırır. Kolay düzlem anizotropisi, manyetik alan ve etkileşimler arasındaki etkileşim, bu antiferromanyetik olarak eşleşmiş çift katmanlı yapılarda skyrmion ve bimeronların oluşmasına neden olur. Bu parametreler değiştikçe, sistem, yeniden giriş davranışı da dahil olmak üzere çok aşamalı faz geçişleri sergiler. Bu sonuçlar, manyetik alanı daha geniş bir dizi rakip topolojik etkileşim arasında bir bileşen olarak yeniden ele alan kapsamlı bir faz diyagramına entegre edilmiştir. Birinci, üçüncü ve beşinci katmanlarda skyrmion merkezleri aşağı doğru yönlendirilmişken, ikinci ve dördüncü katmanlarda skyrmion çekirdekleri yukarı doğru yönlendirilmiştir. Beş katmanlı sistem için düşük manyetik alanlarda ve DM etkileşim değerlerinde antiferromanyetik katmanlar arası etkileşim incelenmiştir. Skyrmion oluşumu, DM etkileşiminden kaynaklanan yerel enerjiler ile uygulanan manyetik alan arasındaki rekabet tarafından yönetilir. Daha büyük örgü boyutlarında antiferromanyetik katmanlar arası bağlanmanın analizi, sistem boyutunun artmasının daha yüksek gözlemlenen kiralite değerlerine yol açtığını göstermektedir. Ayrıca, manyetik çok katmanlı yapılarda skyrmionlar ve meronlar üzerine kapsamlı bir literatür incelemesi, mevcut bulguların daha önce bildirilen sonuçlarla tutarlı olduğunu göstermektedir. Bu tez, nanoyapılar içindeki manyetik skyrmionlar ve meronlar gibi topolojik yapıların ayrıntılı bir şekilde incelenmesine, benzersiz özelliklerinin, kararlılıklarının ve faz geçişlerinin ortaya çıkarılmasına girişmektedir. Bu fazların değişen manyetik alanlar altında nasıl kaydığını araştırarak ve hem ferromanyetik hem de antiferromanyetik olarak bağlanmış çift katmanlardaki anizotropilerin etkisini inceleyerek, araştırma meron-antimeron örgülerinin kararlılığına yeni bir ışık tutuyor. DM etkileşim gücünü ve anizotropi parametrelerini bağımsız olarak ayarlama yeteneği, topolojik faz geçişleri üzerinde hassas kontrolün önünü açarak yenilikçi, yeniden yapılandırılabilir spintronik cihazların yolunu açıyor. Bu nanosistemlerde, özellikle çift katmanlı konfigürasyonlarda bulunan olağanüstü sağlamlık ve ayarlanabilirlik, hataya dayanıklı, ultra yoğun manyetik bellek teknolojilerinin geleceğine işaret ediyor. Güçlü Dzyaloshinskii-Moriya etkileşimi (DMI) ve antiferromanyetik ara katman etkileşimin birleşimi, bu malzemeleri gelecekteki ultra minyatürleştirilmiş, enerji verimli spintronik teknolojileri için son derece umut vadeden adaylar haline getirmektedir.
Özet (Çeviri)
This thesis investigates the formation, annihilation, interconversion, and stability of spin textures, including skyrmion and bimeron phases, in magnetic nanoscale systems such as nanoparticles, nanowires, thin films, nanotubes, bilayer, and multilayer structures. Equilibrium and dynamic magnetic behaviors are analyzed using micromagnetic simulations and Monte Carlo methods. Simulations consider effective field contributions from different interactions. The numerical algorithms used in the simulations are introduced and analyzed. Skyrmion and bimeron phases in magnetic nanosystems are investigated using Monte Carlo simulations. These phases are examined in bilayer and multilayer structures, including trilayers and five-layer systems, under varying ferromagnetic and antiferromagnetic interlayer interaction strengths. Distinct spin spiral (SS) phases are observed in both layers, while skyrmion (SkX) phases disappear at lower DM interaction and magnetic field values in bilayer systems. When the antiferromagnetic interlayer interaction is weak and both the magnetic field and DM interaction are low, skyrmion centers align at identical positions in each layer, with the core oriented upward in one layer and downward in the other. We explore how easy-plane anisotropy shapes the intricate topological spin textures that emerge in a bilayer ferromagnet influenced by DM interaction. Monte Carlo simulations demonstrate that increased anisotropy favors a meron-antimeron equilibrium state over a skyrmion state. In antiferromagnetically coupled ferromagnetic bilayers, merons are primarily determined by magnetic anisotropy. For merons, the strength of easy-plane anisotropy can be the dominant factor. Easy-plane anisotropy stabilizes meron-antimeron phases by maintaining in-plane spin alignment, whereas easy-axis anisotropy facilitates the expansion of skyrmion nuclei and their conversion into antimerons. The interplay among easy-plane anisotropy, magnetic field, and interactions results in the imprinting of skyrmions and bimerons in these antiferromagnetically coupled bilayer structures. As these parameters vary, the system exhibits multi-stage phase transitions, including re-entrant behavior. These results are integrated into a comprehensive phase diagram, reconsidering the magnetic field as one component among a broader set of competing topological interactions. This thesis embarks on a detailed exploration of topological structures like magnetic skyrmions and merons within nanostructures, uncovering their unique properties, stability, and phase transitions. By probing how these phases shift under changing magnetic fields and examining the influence of anisotropies in both ferromagnetic and antiferromagnetically coupled bilayers, the research sheds new light on the stability of meron-antimeron lattices. The ability to independently adjust DM interaction strength and anisotropy parameters unlocks precise control over topological phase transitions, paving the way for innovative, reconfigurable spintronic devices. The remarkable robustness and tunability found in these nanosystems, especially in bilayer configurations, point toward a future of fault-tolerant, ultra-dense magnetic memory technologies. The combination of strong Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) and antiferromagnetic interlayer coupling renders these materials highly promising candidates for future ultra-miniaturized, energy-efficient spintronic technologies.
Benzer Tezler
- Skyrmion davranışı gösteren iki boyutlu malzemelerin dizaynı
Design of two dimensional materials exhibiting skyrmion
TAYLAN GÖRKAN
Doktora
Türkçe
2023
Fizik ve Fizik MühendisliğiAydın Adnan Menderes ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ETHEM AKTÜRK
- Current-driven generation and stabilization of magnetic skyrmions
Manyetik skyrmionların akım-sürümlü üretimi ve stabilizasyonu
CANER DEĞER
Doktora
İngilizce
2019
Fizik ve Fizik MühendisliğiMarmara ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İLHAN YAVUZ
DOÇ. DR. FİKRET YILDIZ
- Micromagnetic modeling and demonstration of wide bandwidth and ultralow power skyrmion-based spintronic devices and circuits
Geniş bantlı ve ultradüşük güç tüketen skyrmion temelli spintronik aygıt ve devrelerin mikromanyetik modellenmesi ve ispatlanması
ARASH MOUSAVI CHEGHABOURI
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Assist. Prof. Dr. MEHMET CENGİZ ONBAŞLI
- Confined dirac propagator for hybrid chiral bag model and neutron-proton mass difference
Başlık çevirisi yok
NURETTİN KARAGÖZ
Doktora
İngilizce
1989
Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiPROF. DR. NAMIK KEMAL PAK
- Quantization of HCBM and triplet axial vector current coupling constant
HKBM Kuantizasyonu ve triplet aksiyal vektör akım bileşim sabiti
TURGUT FAİKOĞLU
Doktora
İngilizce
1992
Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiPROF. DR. NAMIK KEMAL PAK