Two-dimensional topological solitons: Canonical Hamilton dynamics and semiclassical description

Автор(и)

  • E. G. Galkina Institute of Physics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv 03028, Ukraine
  • B. A. Ivanov V. G. Baryakhtar Institute of Magnetism of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv 03142, Ukraine
    Radboud University, Nijmegen 6525 AJ, The Netherlands

DOI (Low Temperature Physics):


https://doi.org/10.1063/10.0044127

Ключові слова:

topological magnetic soliton, guiding-center coordinates, soliton effective mass, Hofstadter butterfly

Анотація

Обговорено динаміку двовимірних топологічних магнітних солітонів. Проведено порівняння з динамікою інших топо­логічних солітонів, відомих для двовимірних джозефсонівських переходів. Розглядаються джерела ефективної маси солітона для різних моделей магнетиків. Для загальних рівнянь координат цих магнітних солітонів, з додаванням інерційного члена до стандартного суто гіроскопічного рівняння Тіле, будуються пари канонічних гамільтонових змінних, що відкриває прямий шлях до квазікласичного квантування цієї динаміки. Одна пара цих змінних відповідає координатам провідного центру солітона; очікується, що цей рух буде повільним. Для вільного руху солітона динаміка другої пари нагадує стандартну лар­морову прецесію зарядженої частинки. Оцінено ефекти взаємного впливу цих двох ступенів вільності для загального вигляду потенціальних сил, що діють на солітон. У рамках простого наближення, що ґрунтується на рівнянні Тіле, виявлено інерційні ефекти для руху солітона в довгих магнітних смугах та появу фрактального солітонного спектра типу метелика Гофштадтера для систем із реальними спіновими ґратками.

Посилання

R. Rajaraman, Solitons and Instantons: An Introduction to Solitons and Instantons in Quantum Field Theory (North-Holland, Amsterdam, 1982).

S. E. Trullinger, V. E. Zakharov, and V. L. Pokrovsky, in Solitons (Elsevier, Amsterdam, 1986).

L. Brizhik, “Known and less known about the wave of translation, davydov’s soliton and its dynamics in an oscillating magnetic field,” Low Temp. Phys. 51, 655 (2025) [Fiz. Nyzk. Temp. 51, 733 (2025)].https://doi.org/10.1063/10.0036611

H. J. Mikeska and M. Steiner, “Solitary excitations in one-dimensional magnets,” Adv. Phys. 40, 191 (1991).https://doi.org/10.1080/00018739100101492

A. Fert, V. Cros, and J. Sampaio, “Skyrmions on the track,” Nature Nanotechnol. 8, 152 (2013).https://doi.org/10.1038/nnano.2013.29

Magnetic Skyrmions and Their Applications, edited by G. Finocchio and C. Panagopoulos, Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials, edited by G. Finocchio and C. Panagopoulos (Woodhead Publishing, Sawston, 2021).

A. P. Malozemoff and J. C. Slonczewski, Magnetic Domain Walls in Bubble Materials (Academic Press, New York, 1981).

A. M. Kosevich, B. A. Ivanov, and A. S. Kovalev, Magnetic solitons, Phys. Rep. 194, 117 (1990). https://doi.org/10.1016/0370-1573(90)90130-T

V. G. Baryakhtar, M. V. Chetkin, B. A. Ivanov, and S. N. Gadetskii, Dynamics of Topological Magnetic Solitons. Experiment and Theory, Springer Tract in Modern Physics (Springer-Verlag, Berlin, 1994), Vol. 139.

A. Barone and G. Paternò, Physics and Applications of the Josephson Effect (Wiley, New York, 1982).

S. Savel’ev, V. Yampol’skii, A. L. Rakhmanov, and F. Nori, “Terahertz josephson plasma waves in layered superconductors: Spectrum, generation, nonlinear and quantum phenomena,” Rep. Progr. Phys. 73, 026501 (2010).https://doi.org/10.1088/0034-4885/73/2/026501

T. M. Slipchenko, D. V. Kadygrob, D. Bogdanis, V. A. Yampol’skii, and A. A. Krokhin, “Surface and waveguide josephson plasma waves in slabs of layered superconductors,” Phys. Rev. B 84, 224512 (2011).https://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.224512

Y. S. Kivshar and B. A. Malomed, “Dynamics of solitons in nearly integrable systems,” Rev. Mod. Phys. 61, 763 (1989).https://doi.org/10.1103/RevModPhys.61.763

S. Savel’ev, V. Yampol’skii, and F. Nori, Phys. Rev. Lett. 95, 187002 (2005).https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.187002

Google ScholarCrossref PubMed

S. Savel’ev, A. Rakhmanov, V. Yampol’skii, and F. Nori, Nat. Phys. 2, 521 (2006).https://doi.org/10.1038/nphys358

D. R. Gulevich, F. V. Kusmartsev, S. Savel’ev, V. A. Yampol’skii, and F. Nori, Phys. Rev. Lett. 101, 127002 (2008).https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.127002

D. R. Gulevich, F. V. Kusmartsev, S. Savel’ev, V. A. Yampol’skii, and Franco Nori, “Shape and wobbling wave excitations in josephson junctions: Exact solutions of the (2 + 1)-dimensional sine-gordon model,” Phys. Rev. B 80, 094509 (2009).https://doi.org/10.1103/PhysRevB.80.094509

N. E. Kulagin and A. F. Popkov, JETP Lett. 43, 249 (1986).

R. V. Ovcharov, E. G. Galkina, B. A. Ivanov, and R. S. Khymyn, “Spin Hall nano-oscillator based on an antiferromagnetic domain wall,” Phys. Rev. Appl. 18, 024047 (2022).https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.18.024047

R. V. Ovcharov, B. A. Ivanov, J. Akerman, and R. S. Khymyn, “Antiferromagnetic Bloch line driven by spin current as room-temperature analog of a fluxon in a long josephson junction,” Phys. Rev. Appl. 20, 034060 (2023).https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.20.034060

E. G. Galkina, C. E. Zaspel, B. A. Ivanov, N. E. Kulagin, and L. M. Lerman, “Limiting velocity and dispersion law of domain walls in ferrimagnets close to the spin compensation point,” JETP Lett. 110, 481 (2019).https://doi.org/10.1134/S002136401919007X

R. V. Ovcharov, B. A. Ivanov, E. G. Galkina, J. Akerman, and R. S. Khymyn, “Instability in domain wall dynamics in almost-compensated ferrimagnets,” Phys. Rev. B 112, 014408 (2025).https://doi.org/10.1103/m5zv-lbgl

E. G. Galkina, A. Y. Galkin, and B. A. Ivanov, “Limit velocity and dispersion law for Bloch lines in ferrimagnetic domain walls,” Low Temp. Phys. 51, 755 (2025) [Fiz. Nyzk. Temp. 51, 839 (2025)].https://doi.org/10.1063/10.0036798

A. I. Akhiezer, V. G. Baryakhtar, and S. V. Peletminsky, Spin waves (Science, 1967).

V. G. Baryakhtar, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 87, 1501 (1984).

B. A. Ivanov, “Ultrafast spin dynamics and spintronics for ferrimagnets close to the spin compensation point,” Low Temp. Phys. 45, 935 (2019) [Fiz. Nizk. Temp. 45, 1095 (2019)].https://doi.org/10.1063/1.5121265

E. G. Galkina, B. A. Ivanov, O. A. Kosmachev, and Yu. A. Fridman, “Two-dimensional solitons in spin nematic states for magnets with an isotropic exchange interaction,” Low Temp. Phys. 41, 382 (2015) [Fiz. Nizk. Temp. 41, 490 (2015)].https://doi.org/10.1063/1.4921470

V. P. Voronov, B. A. Ivanov, and A. M. Kosevich, “Two-dimensional dynamical (topological) solitons in ferromagnets,” Zh. Eksp. Teor. Fiz. 84, 2235 (1983).

B. A. Ivanov and V. A. Stephanovich, “Two-dimensional soliton dynamics in ferromagnets,” Phys. Lett. A 141, 89 (1989).https://doi.org/10.1016/0375-9601(89)90453-2

D. D. Sheka, C. Schuster, B. A. Ivanov, and F. G. Mertens, “Dynamics of topological solitons in two-dimensional ferromagnets,” Eur. Phys. J. B 50, 393 (2006).https://doi.org/10.1140/epjb/e2006-00153-6

D. D. Sheka, B. A. Ivanov, and F. G. Mertens, “Internal modes and magnon scattering on topological solitons in two-dimensional easy-axis ferromagnets,” Phys. Rev. B 64, 024432 (2001).https://doi.org/10.1103/PhysRevB.64.024432

V. P. Kravchuk, D. D. Sheka, U. K. Rößler, J. van den Brink, and Y. Gaididei, “Spin eigenmodes of magnetic skyrmions and the problem of the effective skyrmion mass,” Phys. Rev. B 97, 064403 (2018).https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.064403

C. Moutafis, S. Komineas, and J. A. C. Bland, Phys. Rev. B 79, 224429 (2009).https://doi.org/10.1103/PhysRevB.79.224429

I. Makhfudz, B. Krüger, and Oleg Tchernyshyov, “Inertia and chiral edge modes of a skyrmion magnetic bubble,” Phys. Rev. Lett. 109, 217201 (2012).https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.217201

M. Mochizuki, “Spin-wave modes and their intense excitation effects in skyrmion crystals,” Phys. Rev. Lett. 108, 017601 (2012).https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.017601

F. J. Buijnsters, A. Fasolino, and M. I. Katsnelson, “Zero modes in magnetic systems: General theory and an efficient computational scheme,” Phys. Rev. B 89, 174433 (2014).https://doi.org/10.1103/PhysRevB.89.174433

S. Komineas and N. Papanicolaou, “Skyrmion dynamics in chiral ferromagnets,” Phys. Rev. B 92, 064412 (2015).https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.064412

F. Büttner, C. Moutafis, M. Schneider, B. Krüger, C. M. Günther, J. Geilhufe, C. von Korff Schmising, J. Mohanty, B. Pfau, S. Schaffert, A. Bisig, M. Foerster, T. Schulz, C. A. F. Vaz, J. H. Franken, H. J. M. Swagten, M. Kläui, and S. Eisebitt, “Dynamics and inertia of skyrmionic spin structures,” Nat. Phys. 11, 225 (2015).https://doi.org/10.1038/nphys3234

B. A. Ivanov, H. J. Schnitzer, F. G. Mertens, and G. M. Wysin, “Magnon modes and magnon-vortex scattering in two- dimensional easy-plane ferromagnet,” Phys. Rev. B 58, 8464 (1998).https://doi.org/10.1103/PhysRevB.58.8464

B. A. Ivanov and C. E. Zaspel, “Magnon modes for thin circular vortex-state,” Appl. Phys. Lett. 81, 1261 (2002).https://doi.org/10.1063/1.1499515

F. G. Mertens and A. R. Bishop, in Nonlinear Science at the Dawn of the 21st Century, edited by P. L. Christiansen, M. P. Soerensen, and A. C. Scott (Springer Lecture Notes, Springer, Berlin, 2000).

A. S. Kovalev, F. G. Mertens, and H. J. Schnitzer, “Cycloidal vortex motion in easy-plane ferromagnets due to interaction with spin waves,” European Phys. J. B 33, 133 (2003).https://doi.org/10.1140/epjb/e2003-00150-3

R. V. Verba, A. Hierro-Rodriguez, D. Navas, J. Ding, X. M. Liu, A. O. Adeyeye, K. Y. Guslienko, and G. N. Kakazei, “Spin-wave excitation modes in thick vortex-state circular ferromagnetic nanodots,” Phys. Rev. B 93, 214437 (2016).https://doi.org/10.1103/PhysRevB.93.214437

A. V. Nikiforov and E. B. Sonin, Sov. Phys. JETP 58, 373 (1983).

H. Lamb, Hydrodynamics (Cambridge University Press, 1993).

V. Unikandanunni, R. Medapalli, M. Asa, E. Albisetti, D. Petti, R. Bertacco, E. E. Fullerton, and S. Bonetti, “Inertial spin dynamics in epitaxial cobalt films,” Phys. Rev. Lett. 129, 237201 (2022).https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.237201

R. Rodriguez, M. Cherkasskii, R. Jiang, R. Mondal, A. Etesamirad, A. Tossounian, B. A. Ivanov, and Igor Barsukov, “Spin inertia and auto-oscillations in ferromagnets,” Phys. Rev. Lett. 132, 246701 (2024).https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.246701

C. E. Zaspel, E. G. Galkina, and B. A. Ivanov, “High-frequency current-controlled vortex oscillations in ferrimagnetic disks,” Phys. Rev. Appl. 12, 044019 (2019).https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.044019

O. M. Sotnikov, V. V. Mazurenko, J. Colbois, F. Mila, M. I. Katsnelson, and E. A. Stepanov, “Probing the topology of the quantum analog of a classical skyrmion,” Phys. Rev. B 103, L060404 (2021).https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.L060404

V. V. Mazurenko, I. A. Iakovlev, O. M. Sotnikov, and M. I. Katsnelson, “Estimating patterns of classical and quantum skyrmion states,” J. Phys. Soc. Jpn. 92, 081004 (2023).https://doi.org/10.7566/JPSJ.92.081004

N. Papanicolaou and T. N. Tomaras, “Dynamics of magnetic vortices,” Nucl. Phys. B 360, 425 (1991).https://doi.org/10.1016/0550-3213(91)90410-Y

S. Sorn, J. Schmalian, and M. Garst, “Topological dipoles of quantum skyrmions,” Phys. Rev. X 15, 041037 (2025). https://doi.org/10.1103/sxgs-38c3

X. F. Wu and O. Tchernyshyov, “How a skyrmion can appear both massive and massless,” Sci. Post Phys. 12, 159 (2022).https://doi.org/10.21468/SciPostPhys.12.5.159

L. D. Landau and E. M. Lifshitz, Mechanics (Science, 1988).

H. Goldstein, C. Poole, and J. Safko, Classical Mechanics (Addison-Wesley, San Francisco, 2000).

L. D. Landau and E. M. Lifshitz, Quantum mechanics: Non-relativistic theory (Science, 1989).

A. S. Kovalev, S. Komineas, and F. G. Mertens, “Scattering of vortex pairs in 2D easy-plane ferromagnets,” European Phys. J. B 25, 89 (2002).

D. Song, W. Wang, S. Zhang, Y. Liu, N. Wang, F. Zheng, M. Tian, R. E. Dunin-Borkowski, J. Zang, and H. Du, “Steady motion of 80-nm-size skyrmions in a 100-nm-wide track,” Nat. Commun. 15, 5614 (2024).https://doi.org/10.1038/s41467-024-49976-6

A. M. Perelomov, Usp. Fiz. Nauk 123, 23 (1977).https://doi.org/10.3367/UFNr.0123.197709b.0023

A. Perelomov, Generalized Coherent States and Their Applications (Springer-Verlag, Berlin, 1986).

A. I. Baz’, Ya. B. Zeldovich, and A. M. Perelomov, Scattering, reactions and decays in nonrelativistic quantum mechanics (Science, 1966).

B. A. Ivanov and E. G. Galkina, and A. Yu. Galkin, “Quantum dynamics of a vortex in a small magnetic particle,” Low Temp. Phys. 36, 747 (2010) [Fiz. Nizk. Temp. 36, 941 (2010)].https://doi.org/10.1063/1.3490861

A. Yu. Galkin and B. A. Ivanov, “Semiclassical dynamics of vortices in two-dimensional easy-plane ferromagnets,” J. Exp. Theor. Phys. 104, 775 (2007).https://doi.org/10.1134/S1063776107050123

R. Takashima, H. Ishizuka, and L. Balents, “Quantum skyrmions in two-dimensional chiral magnets,” Phys. Rev. B 94, 134415 (2016).https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.134415

I. M. Lifshits, M. Ya. Azbel, and M. I. Kaganov, Electron theory of metals (Science, 1971).

P. G. Harper, “The general motion of conduction electrons in a uniform magnetic field, with application to the diamagnetism of metals,” Proc. Phys. Soc. London Sect. A 68, 879 (1955).https://doi.org/10.1088/0370-1298/68/10/305

M. Ya. Azbel, “Energy spectrum of a conduction electron in a magnetic field,” Zh. Eksp. Teor. Fiz. 46, 929 (1964).

D. R. Hofstadter, “Energy levels and wave functions of Bloch electrons in rational and irrational magnetic fields,” Phys. Rev. B 14, 2239 (1976).https://doi.org/10.1103/PhysRevB.14.2239

M. Wilkinson, J. Phys. A 27, 8123 (1994).https://doi.org/10.1088/0305-4470/27/24/021

M. Wilkinson and R. J. Kay, “Semiclassical limits of the spectrum of harper’s equation,” Phys. Rev. Lett. 76, 1896 (1996).https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.76.1896

Downloads

Опубліковано

2026-04-24

Як цитувати

(1)
E. G. Galkina and B. A. Ivanov, Two-dimensional topological solitons: Canonical Hamilton dynamics and semiclassical description , Low Temp. Phys. 52, (2026) [Fiz. Nyzk. Temp. 52, 793–805, (2026)] DOI: https://doi.org/10.1063/10.0044127.

Номер

Розділ

Статті

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Статті цього автора (авторів), які найбільше читають

1 2 3 4 > >>