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

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

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

3. 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

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

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

6. 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).

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

8. 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

9. 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.

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

11. 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

12. 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

13. 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

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

15. Google ScholarCrossref PubMed

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

17. 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

18. 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

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

20. 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

21. 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

22. 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

23. 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

24. 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

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

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

27. 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

28. 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

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

30. 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

31. 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

32. 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

33. 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

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

35. 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

36. 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

37. 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

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

39. 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

40. 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

41. 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

42. 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).

43. 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

44. 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

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

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

47. 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

48. 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

49. 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

50. 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

51. 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

52. 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

53. 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

54. 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

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

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

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

58. 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).

59. 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

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

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

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

63. 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

64. 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

65. 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

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

67. 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

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

69. 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

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

71. 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, 713–723, (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.