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Institucional

Vidal-Silva, N.

Modeling the spatial resolution of magnetic solitons in magnetic force microscopy and the effect on their sizes

NATURE PORTFOLIO

SCIENTIFIC REPORTS

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In this work, we explored theoretically the spatial resolution of magnetic solitons and the variations of their sizes when subjected to a magnetic force microscopy (MFM) measurement. Next to tip-sample separation, we considered reversal in the magnetization direction of the tip, showing that the magnetic soliton size measurement can be strongly affected by the magnetization direction of the tip. In addition to previous studies that only consider thermal fluctuations, we developed a theoretical method to obtain the minimum observable length of a magnetic soliton and its length variation due to the influence of the MFM tip by minimizing the soliton's magnetic energy. We show that a simple spherical model for the MFM tip can capture most of the physics underlying tip-sample interactions, with the key requirement being an estimate of the magnetization field within the sample. Our model uses analytical and numerical calculations and prevents overestimating the characteristic length scales from MFM images. We compared our method with available data from MFM measurements of domain wall widths, and we performed micromagnetic simulations of a skyrmion-tip system, finding a good agreement for both attractive and repulsive domain wall profile signals and for the skyrmion diameter in the presence of the magnetic tip. In addition, the theoretically calculated frequency shift presents good qualitative agreement with experimental measurements. Our results provide significant insights for a better interpretation of MFM measurements of different magnetic solitons and will be helpful in the design of potential reading devices based on magnetic solitons as information carriers.En este trabajo, exploramos teóricamente la resolución espacial de los solitones magnéticos y las variaciones de su tamaño al ser sometidos a una medición mediante microscopía de fuerza magnética (MFM). Además de la separación entre la punta y la muestra, consideramos la inversión de la dirección de magnetización de la punta, demostrando que la medición del tamaño del solitón magnético puede verse fuertemente afectada por dicha dirección. A diferencia de estudios previos que solo consideran fluctuaciones térmicas, desarrollamos un método teórico para obtener la longitud mínima observable de un solitón magnético y su variación de longitud debido a la influencia de la punta de MFM, minimizando la energía magnética del solitón. Demostramos que un modelo esférico simple para la punta de MFM puede capturar la mayor parte de la física subyacente a las interacciones punta-muestra, siendo el requisito clave una estimación del campo de magnetización dentro de la muestra. Nuestro modelo utiliza cálculos analíticos y numéricos y evita la sobreestimación de las escalas de longitud características a partir de imágenes de MFM. Comparamos nuestro método con datos disponibles de mediciones de MFM de anchos de pared de dominio y realizamos simulaciones micromagnéticas de un sistema punta de skyrmión, encontrando una buena concordancia tanto para las señales de perfil de pared de dominio atractivas como repulsivas y para el diámetro del skyrmión en presencia de la punta magnética. Además, el desplazamiento de frecuencia calculado teóricamente presenta una buena concordancia cualitativa con las mediciones experimentales. Nuestros resultados proporcionan información valiosa para una mejor interpretación de las mediciones de MFM de diferentes solitones magnéticos y serán útiles en el diseño de posibles dispositivos de lectura basados ​​en solitones magnéticos como portadores de información.

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10.1038/s41598-025-95584-9

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Modeling the spatial resolution of magnetic solitons in magnetic force microscopy and the effect on their sizes

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Multidisciplinary Sciences

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2045-2322

CC BY 4.0

Fondecyt Fondecyt Iniciacion#Fondecyt Regular(Comision Nacional de Investigacion Cientifica y Tecnologica (CONICYT)CONICYT FONDECYT)#Project PRIN(Ministry of Education, Universities and Research (MIUR))#Project PRIN20222N9A73 "SKYrmion-based magnetic tunnel junction to design a temperature SENSor-SkySens"#Italian Ministry of University and Research (MUR)(Ministry of Education, Universities and Research (MIUR))#PETASPIN Association#The "Network 4 Energy Sustainable Transition-NEST"#European Union-NextGenerationEU , under the National Recovery and Resilience Plan (NRRP)#PON Ricerca e Innovazione#Italian MUR(Ministry of Education, Universities and Research (MIUR))####

Fondecyt Fondecyt Iniciacion

Fondecyt Regular [CIP2022036]

Project PRIN [2020LWPKH7]

Project PRIN20222N9A73 "SKYrmion-based magnetic tunnel junction to design a temperature SENSor-SkySens"

Italian Ministry of University and Research (MUR)

PETASPIN Association

The "Network 4 Energy Sustainable Transition-NEST"

European Union-NextGenerationEU , under the National Recovery and Resilience Plan (NRRP) [CUP C93C22005230007]

PON Ricerca e Innovazione [1062]

Italian MUR

[11220046]

[1210607]

[1201491]

[1250364]

[PE0000021]

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