Magnetic skyrmions are candidates for information carriers in Brownian and stochastic computers. Developing a technique for fabricating a film with a suitable potential landscape, wherein the information carrier may diffuse freely, is essential for these probabilistic computers. In this study, to build the desired local potential into magnetic films, a 1.2 nm-thick Co-Fe-B film with a 5.2 nm-thick cap layer was irradiated by a focused ion beam (FIB) using Ga+ as the ion source under a low acceleration voltage of 5 keV. The fluences ranged from 0 to 25 × 1012 ions/cm2. Consequently, the critical temperature at which skyrmions appear or disappear is shifted by several 1–10 K depending on the ion fluence. The origin of this effect is discussed by observing the ion implantation profile and the surface sputtering depth using time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS) and atomic force microscopy (AFM). The results of TOF-SIMS measurements show that most of the Ga atoms exist in the Co–Fe–B layer. If all Ga atoms exist in the Co–Fe–B layer, the Ga concentration is 7 × 10−3 at. % after irradiation of 0.8 × 1012 ions/cm2. The AFM results show a sputtered pattern with 0.2 nm depth after irradiation of 16 × 1012 ions/cm2. Finally, the effect of irradiation on the diffusion coefficient was examined. It was determined that small fluences of 1.6 × 1012 and 0.8 × 1012 ions/cm2 can construct a potential barrier controlling skyrmions while maintaining diffusion coefficients as high as 10 μm2/s. The FIB process can be used to draw a circuit of probabilistic computers with skyrmions as information carriers.

1.
N.
Nagaosa
and
Y.
Tokura
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
899
(
2013
).
2.
F.
Jonietz
,
S.
Mühlbauer
,
C.
Pfleiderer
,
A.
Neubauer
,
W.
Münzer
,
A.
Bauer
,
T.
Adams
,
R.
Georgii
,
P.
Böni
,
R. A.
Duine
,
K.
Everschor
,
M.
Garst
, and
A.
Rosch
,
Science
330
,
1648
(
2010
).
3.
S.
Woo
,
K.
Litzius
,
B.
Krüger
,
M.-Y.
Im
,
L.
Caretta
,
K.
Richter
,
M.
Mann
,
A.
Krone
,
R. M.
Reeve
,
M.
Weigand
,
P.
Agrawal
,
I.
Lemesh
,
M.-A.
Mawass
,
P.
Fischer
,
M.
Kläui
, and
G. S. D.
Beach
,
Nat. Mater.
15
,
501
(
2016
).
4.
W.
Jiang
,
X.
Zhang
,
G.
Yu
,
W.
Zhang
,
X.
Wang
,
M.
Benjamin Jungfleisch
,
J. E.
Pearson
,
X.
Cheng
,
O.
Heinonen
,
K. L.
Wang
,
Y.
Zhou
,
A.
Hoffmann
, and
S. G. E.
te Velthuis
,
Nat. Phys.
13
,
162
(
2017
).
5.
T.
Dohi
,
S.
DuttaGupta
,
S.
Fukami
, and
H.
Ohno
,
Nat. Commun.
10
,
5153
(
2019
).
6.
M.
Mochizuki
,
X. Z.
Yu
,
S.
Seki
,
N.
Kanazawa
,
W.
Koshibae
,
J.
Zang
,
M.
Mostovoy
,
Y.
Tokura
, and
N.
Nagaosa
,
Nat. Mater.
13
,
241
(
2014
).
7.
R.
Iguchi
,
S.
Kasai
,
K.
Koshikawa
,
N.
Chinone
,
S.
Suzuki
, and
K.-I.
Uchida
,
Sci. Rep.
9
,
18443
(
2019
).
8.
J.
Zázvorka
,
F.
Jakobs
,
D.
Heinze
,
N.
Keil
,
S.
Kromin
,
S.
Jaiswal
,
K.
Litzius
,
G.
Jakob
,
P.
Virnau
,
D.
Pinna
,
K.
Everschor-Sitte
,
L.
Rózsa
,
A.
Donges
,
U.
Nowak
, and
M.
Kläui
,
Nat. Nanotechnol.
14
,
658
(
2019
).
9.
T.
Nozaki
,
Y.
Jibiki
,
M.
Goto
,
E.
Tamura
,
T.
Nozaki
,
H.
Kubota
,
A.
Fukushima
,
S.
Yuasa
, and
Y.
Suzuki
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
012402
(
2019
).
10.
Y.
Jibiki
,
M.
Goto
,
E.
Tamura
,
J.
Cho
,
S.
Miki
,
R.
Ishikawa
,
H.
Nomura
,
T.
Srivastava
,
W.
Lim
,
S.
Auffret
,
C.
Baraduc
,
H.
Bea
, and
Y.
Suzuki
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
082402
(
2020
).
11.
L.
Zhao
,
Z.
Wang
,
X.
Zhang
,
X.
Liang
,
J.
Xia
,
K.
Wu
,
H.-A.
Zhou
,
Y.
Dong
,
G.
Yu
,
K. L.
Wang
,
X.
Liu
,
Y.
Zhou
, and
W.
Jiang
,
Phys. Rev. Lett.
125
,
27206
(
2020
).
12.
S.
Miki
,
Y.
Jibiki
,
E.
Tamura
,
M.
Goto
,
M.
Oogane
,
J.
Cho
,
R.
Ishikawa
,
H.
Nomura
, and
Y.
Suzuki
,
J. Phys. Soc. Jpn.
90
,
083601
(
2021
).
13.
R.
Ishikawa
,
M.
Goto
,
H.
Nomura
, and
Y.
Suzuki
,
Appl. Phys. Lett.
119
,
072402
(
2021
).
14.
M.
Goto
,
H.
Nomura
, and
Y.
Suzuki
,
J. Magn. Magn. Mater.
536
,
167974
(
2021
).
15.
H.
Xia
,
C.
Song
,
C.
Jin
,
J.
Wang
,
J.
Wang
, and
Q.
Liu
,
J. Magn. Magn. Mater.
458
,
57
(
2018
).
16.
E.
Tamura
,
C.
Liu
,
S.
Miki
,
J.
Cho
,
H.
Nomura
,
M.
Goto
,
R.
Nakatani
, and
Y.
Suzuki
, arXiv:2005.04860 (
2020
).
17.
J.
Cho
,
E.
Tamura
,
C.
Liu
,
S.
Miki
,
C.-Y.
You
,
J.-S.
Kim
,
H.
Nomura
,
M.
Goto
,
R.
Nakatani
, and
Y.
Suzuki
,
New J. Phys.
22
,
103053
(
2020
).
18.
S.
Miki
,
E.
Tamura
,
H.
Nomura
,
M.
Goto
, and
Y.
Suzuki
,
J. Phys. Soc. Jpn.
90
,
114703
(
2021
).
19.
F.
Peper
,
J.
Lee
,
J.
Carmona
,
J.
Cortadella
, and
K.
Morita
,
J. Emerg. Technol. Comput. Syst.
9
(
1
),
1
(
2013
).
20.
L.-J.
Fei
,
J.
Lee
,
X.
Huang
, and
F.
Peper
,
Physica D
428
,
133052
(
2021
).
21.
M.
Schott
,
A.
Bernand-Mantel
,
L.
Ranno
,
S.
Pizzini
,
J.
Vogel
,
H.
Béa
,
C.
Baraduc
,
S.
Auffret
,
G.
Gaudin
, and
D.
Givord
,
Nano Lett.
17
,
3006
3012
(
2017
).
22.
C.
Ma
,
X.
Zhang
,
J.
Xia
,
M.
Ezawa
,
W.
Jiang
,
T.
Ono
,
S. N.
Piramanayagam
,
A.
Morisako
,
Y.
Zhou
, and
X.
Liu
,
Nano Lett.
19
,
353
361
(
2019
).
23.
R.
Ishikawa
,
M.
Goto
,
H.
Nomura
, and
Y.
Suzuki
,
Appl. Phys. Lett.
121
,
252402
(
2022
).
24.
S.
Blomeier
,
D.
McGrouther
,
R.
O'Neill
,
S.
McVitie
,
J. N.
Chapman
,
M. C.
Weber
,
B.
Hillebrands
, and
J.
Fassbender
,
J. Magn. Magn. Mater.
290–291
,
731
(
2005
).
25.
L.
Herrera Diez
,
F.
García-Sánchez
,
J.-P.
Adam
,
T.
Devolder
,
S.
Eimer
,
M. S.
El Hadri
,
A.
Lamperti
,
R.
Mantovan
,
B.
Ocker
, and
D.
Ravelosona
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
032401
(
2015
).
26.
X.
Zhao
,
B.
Zhang
,
N.
Vernier
,
X.
Zhang
,
M.
Sall
,
T.
Xing
,
L. H.
Diez
,
C.
Hepburn
,
L.
Wang
,
G.
Durin
,
A.
Casiraghi
,
M.
Belmeguenai
,
Y.
Roussigné
,
A.
Stashkevich
,
S. M.
Chérif
,
J.
Langer
,
B.
Ocker
,
S.
Jaiswal
,
G.
Jakob
,
M.
Kläui
,
W.
Zhao
, and
D.
Ravelosona
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
122404
(
2019
).
27.
S.
Mendisch
,
F.
Riente
,
V.
Ahrens
,
L.
Gnoli
,
M.
Haider
,
M.
Opel
,
M.
Kiechle
,
M.
Ruo Roch
, and
M.
Becherer
,
Phys. Rev. Appl.
16
,
014039
(
2021
).
28.
M. C. H.
de Jong
,
M. J.
Meijer
,
J.
Lucassen
,
J.
van Liempt
,
H. J. M.
Swagten
,
B.
Koopmans
, and
R.
Lavrijsen
,
Phys. Rev. B
105
,
064429
(
2022
).
29.
H. T.
Nembach
,
E.
Jué
,
K.
Poetzger
,
J.
Fassbender
,
T. J.
Silva
, and
J. M.
Shaw
,
J. Appl. Phys.
131
,
143901
(
2022
).
30.
F. C.
Ummelen
,
T.
Lichtenberg
,
H. J. M.
Swagten
, and
B.
Koopmans
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
102402
(
2019
).
31.
K.
Fallon
,
S.
Hughes
,
K.
Zeissler
,
W.
Legrand
,
F.
Ajejas
,
D.
Maccariello
,
S.
McFadzean
,
W.
Smith
,
D.
McGrouther
,
S.
Collin
,
N.
Reyren
,
V.
Cros
,
C. H.
Marrows
, and
S.
McVitie
,
Small
16
,
e1907450
(
2020
).
32.
V.
Ahrens
,
S.
Mendisch
,
W.
Kaiser
,
M.
Kiechle
,
S. B.-v.
Breitkreutz-v. Gamm
, and
M.
Becherer
,
J. Magn. Magn. Mater.
523
,
167591
(
2021
).
33.
R.
Juge
,
K.
Bairagi
,
K. G.
Rana
,
J.
Vogel
,
M.
Sall
,
D.
Mailly
,
V. T.
Pham
,
Q.
Zhang
,
N.
Sisodia
,
M.
Foerster
,
L.
Aballe
,
M.
Belmeguenai
,
Y.
Roussigné
,
S.
Auffret
,
L. D.
Buda-Prejbeanu
,
G.
Gaudin
,
D.
Ravelosona
, and
O.
Boulle
,
Nano Lett.
21
,
2989
2996
(
2021
).
34.
V.
Ahrens
,
L.
Gnoli
,
D.
Giuliano
,
S.
Mendisch
,
M.
Kiechle
,
F.
Riente
, and
M.
Becherer
,
AIP Adv.
12
,
035325
(
2022
).
35.
L. M.
Kern
,
B.
Pfau
,
V.
Deinhart
,
M.
Schneider
,
C.
Klose
,
K.
Gerlinger
,
S.
Wittrock
,
D.
Engel
,
I.
Will
,
C. M.
Günther
,
R.
Liefferink
,
J. H.
Mentink
,
S.
Wintz
,
M.
Weigand
,
M. J.
Huang
,
R.
Battistelli
,
D.
Metternich
,
F.
Büttner
,
K.
Höflich
, and
S.
Eisebitt
,
Nano Lett.
22
,
4028
4035
(
2022
).
36.
Y.
Hu
,
S.
Zhang
,
Y.
Zhu
,
C.
Song
,
J.
Huang
,
C.
Liu
,
X.
Meng
,
X.
Deng
,
L.
Zhu
,
C.
Guan
,
H.
Yang
,
M.
Si
,
J.
Zhang
, and
Y.
Peng
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
14
,
34011
(
2022
).
37.
S.
Bhatti
,
H. K.
Tan
,
M. I.
Sim
,
V. L.
Zhang
,
M.
Sall
,
Z. X.
Xing
,
R.
Juge
,
R.
Mahendiran
,
A.
Soumyanarayanan
,
S. T.
Lim
,
D.
Ravelosona
, and
S. N.
Piramanayagam
,
APL Mater.
11
,
011103
(
2023
).
38.
V.
Ahrens
,
C.
Kiesselbach
,
L.
Gnoli
,
D.
Giuliano
,
S.
Mendisch
,
M.
Kiechle
,
F.
Riente
, and
M.
Becherer
,
Adv. Mater.
35
,
e2207321
(
2023
).
39.
G.
Yu
,
P.
Upadhyaya
,
X.
Li
,
W.
Li
,
S. K.
Kim
,
Y.
Fan
,
K. L.
Wong
,
Y.
Tserkovnyak
,
P. K.
Amiri
, and
K. L.
Wang
,
Nano Lett.
16
,
1981
(
2016
).
40.
S.
Yuasa
and
D. D.
Djayaprawira
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
40
,
R337
R354
(
2007
).
42.
M.
Heide
,
G.
Bihlmayer
, and
S.
Blügel
,
Phys. Rev. B
78
(
14
),
140403
(
2008
).
43.
Y.
Suzuki
,
S.
Miki
,
Y.
Imai
, and
E.
Tamura
,
Phys. Lett. A
413
,
127603
(
2021
).
44.
J. F.
Ziegler
,
J.
Biersack
, and
M. D.
Ziegler
,
SRIM—the Stopping and Range of Ions in Matter
(
SRIM
,
Chester, MD
,
2008
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.