Magnetic skyrmions and antiskyrmions are intriguing topological defects in spin textures. A single-antiskyrmion defect would form and collapse to straightforwardly complete the topological transition for the nucleation of a skyrmion phase from a ferromagnetic background. Here, a novel multi-antiskyrmion defects-driven skyrmion nucleation mechanism is investigated in both the ferromagnetic single layer and synthetic antiferromagnetic trilayers with the spin-polarized current stimuli. The multi-antiskyrmion defects mechanism needs lower nucleation activation energy than the single-antiskyrmion defect mechanism and brings about intriguing fluctuations in topological charge. The multi-antiskyrmion defects mechanism can survive even at room temperature and is robust against simulation parameters. Our finding not only unravels an unprecedented skyrmion nucleation process but also provides a platform for investigating antiskyrmions as topological defects during topological transition.

1.
A.
Soumyanarayanan
,
M.
Raju
,
A. L. G.
Oyarce
,
A. K. C.
Tan
,
M. Y.
Im
,
A. P.
Petrovic
,
P.
Ho
,
K. H.
Khoo
,
M.
Tran
,
C. K.
Gan
,
F.
Ernult
, and
C.
Panagopoulos
,
Nat. Mater.
16
,
898
(
2017
).
2.
W.
Legrand
,
D.
Maccariello
,
F.
Ajejas
,
S.
Collin
,
A.
Vecchiola
,
K.
Bouzehouane
,
N.
Reyren
,
V.
Cros
, and
A.
Fert
,
Nat. Mater.
19
,
34
(
2020
).
3.
L.
Peng
,
R.
Takagi
,
W.
Koshibae
,
K.
Shibata
,
K.
Nakajima
,
T.
hisa Arima
,
N.
Nagaosa
,
S.
Seki
,
X.
Yu
, and
Y.
Tokura
,
Nat. Nanotechnol.
15
,
181
(
2020
).
4.
W.
Jiang
,
P.
Upadhyaya
,
W.
Zhang
,
G.
Yu
,
M. B.
Jungfleisch
,
F. Y.
Fradin
,
J. E.
Pearson
,
Y.
Tserkovnyak
,
K. L.
Wang
,
O.
Heinonen
,
S. G. E.
te Velthuis
, and
A.
Hoffmann
,
Science
349
,
283
(
2015
).
5.
R.
Chen
,
Y.
Gao
,
X.
Zhang
,
R.
Zhang
,
S.
Yin
,
X.
Chen
,
X.
Zhou
,
Y.
Zhou
,
J.
Xia
,
Y.
Zhou
,
S.
Wang
,
F.
Pan
,
Y.
Zhang
, and
C.
Song
,
Nano Lett.
20
,
3299
(
2020
).
6.
W.
Koshibae
and
N.
Nagaosa
,
Nat. Commun.
7
,
10542
(
2016
).
7.
A. K.
Nayak
,
V.
Kumar
,
T.
Ma
,
P.
Werner
,
E.
Pippel
,
R.
Sahoo
,
F.
Damay
,
U. K.
Rößler
,
C.
Felser
, and
S. S. P.
Parkin
,
Nature
548
,
561
(
2017
).
8.
K.
Everschor-Sitte
,
J.
Masell
,
R. M.
Reeve
, and
M.
Kläui
,
J. Appl. Phys.
124
,
240901
(
2018
).
9.
A. N.
Bogdanov
and
U. B.
Rößler
,
Phys. Rev. Lett.
87
,
37203
(
2001
).
10.
U. K.
Rößler
,
A. N.
Bogdanov
, and
C.
Pfleiderer
,
Nature
442
,
797
(
2006
).
11.
M.
Hoffmann
,
B.
Zimmermann
,
G. P.
Müller
,
D.
Schürhoff
,
N. S.
Kiselev
,
C.
Melcher
, and
S.
Blügel
,
Nat. Commun.
8
,
308
(
2017
).
12.
S.
Woo
,
K. M.
Song
,
X.
Zhang
,
M.
Ezawa
,
Y.
Zhou
,
X.
Liu
,
M.
Weigand
,
S.
Finizio
,
J.
Raabe
,
M. C.
Park
,
K. Y.
Lee
,
J. W.
Choi
,
B. C.
Min
,
H. C.
Koo
, and
J.
Chang
,
Nat. Electron.
1
,
288
(
2018
).
13.
S.
Finizio
,
K.
Zeissler
,
S.
Wintz
,
S.
Mayr
,
T.
Weßels
,
A. J.
Huxtable
,
G.
Burnell
,
C. H.
Marrows
, and
J.
Raabe
,
Nano Lett.
19
,
7246
(
2019
).
14.
A.
Fert
,
V.
Cros
, and
J.
Sampaio
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
152
(
2013
).
15.
J.
Sampaio
,
V.
Cros
,
S.
Rohart
,
A.
Thiaville
, and
A.
Fert
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
839
(
2013
).
16.
N.
Romming
,
C.
Hanneken
,
M.
Menzel
,
J. E.
Bickel
,
B.
Wolter
,
K.
von Bergmann
,
A.
Kubetzka
, and
R.
Wiesendanger
,
Science
341
,
636
(
2013
).
17.
M.
He
,
L.
Peng
,
Z.
Zhu
,
G.
Li
,
J.
Cai
,
J.
Li
,
H.
Wei
,
L.
Gu
,
S.
Wang
,
T.
Zhao
,
B.
Shen
, and
Y.
Zhang
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
202403
(
2017
).
18.
X.
Zhang
,
Y.
Zhou
, and
M.
Ezawa
,
Nat. Commun.
7
,
10293
(
2016
).
19.
O.
Heinonen
,
W.
Jiang
,
H.
Somaily
,
S. G. E.
te Velthuis
, and
A.
Hoffmann
,
Phys. Rev. B
93
,
094407
(
2016
).
20.
Y.
Liu
,
H.
Yan
,
M.
Jia
,
H.
Du
, and
A.
Du
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
102402
(
2016
).
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
(
2017
).
22.
Y.
Nakatani
,
M.
Hayashi
,
S.
Kanai
,
S.
Fukami
, and
H.
Ohno
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
152403
(
2016
).
23.
P. J.
Hsu
,
A.
Kubetzka
,
A.
Finco
,
N.
Romming
,
K.
von Bergmann
, and
R.
Wiesendanger
,
Nat. Nanotechnol.
12
,
123
(
2017
).
24.
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
).
25.
D. A.
Garanin
,
D.
Capic
,
S.
Zhang
,
X.
Zhang
, and
E. M.
Chudnovsky
,
J. Appl. Phys.
124
,
113901
(
2018
).
26.
S.
Zhang
,
J.
Zhang
,
Q.
Zhang
,
C.
Barton
,
V.
Neu
,
Y.
Zhao
,
Z.
Hou
,
Y.
Wen
,
C.
Gong
,
O.
Kazakova
,
W.
Wang
,
Y.
Peng
,
D. A.
Garanin
,
E. M.
Chudnovsky
, and
X.
Zhang
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
132405
(
2018
).
27.
M.
Mochizuki
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
092403
(
2017
).
28.
M.
Finazzi
,
M.
Savoini
,
A. R.
Khorsand
,
A.
Tsukamoto
,
A.
Itoh
,
L.
Duò
,
A.
Kirilyuk
,
Th.
Rasing
, and
M.
Ezawa
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
177205
(
2013
).
29.
S. G.
Je
,
P.
Vallobra
,
T.
Srivastava
,
J. C.
Rojas-Sánchez
,
T. H.
Pham
,
M.
Hehn
,
G.
Malinowski
,
C.
Baraduc
,
S.
Auffret
,
G.
Gaudin
,
S.
Mangin
,
H.
Béa
, and
O.
Boulle
,
Nano Lett.
18
,
7362
(
2018
).
30.
N.
Mehmood
,
X.
Song
,
G.
Tian
,
Z.
Hou
,
D.
Chen
,
Z.
Fan
,
M.
Qin
,
X.
Gao
, and
J. M.
Liu
,
J. Phys. D
53
,
014007
(
2020
).
31.
J. M.
Hu
,
T.
Yang
, and
L. Q.
Chen
,
Acta Mater.
183
,
145
(
2020
).
32.
Y.
Liu
,
N.
Lei
,
W.
Zhao
,
W.
Liu
,
A.
Ruotolo
,
H. B.
Braun
, and
Y.
Zhou
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
022406
(
2017
).
33.
W.
Koshibae
and
N.
Nagaosa
,
Nat. Commun.
5
,
5148
(
2014
).
34.
T.
Yokouchi
,
S.
Sugimoto
,
B.
Rana
,
S.
Seki
,
N.
Ogawa
,
S.
Kasai
, and
Y.
Otani
,
Nat. Nanotechnol.
15
,
361
(
2020
).
35.
Z.
Wang
,
X.
Zhang
,
J.
Xia
,
L.
Zhao
,
K.
Wu
,
G.
Yu
,
K. L.
Wang
,
X.
Liu
,
S. G. E.
te Velthuis
,
A.
Hoffmann
,
Y.
Zhou
, and
W.
Jiang
,
Phys. Rev. B
100
,
184426
(
2019
).
36.
M.
Stier
,
W.
Häusler
,
T.
Posske
,
G.
Gurski
, and
M.
Thorwart
,
Phys. Rev. Lett.
118
,
267203
(
2017
).
37.
K.
Everschor-Sitte
,
M.
Sitte
,
T.
Valet
,
A.
Abanov
, and
J.
Sinova
,
New J. Phys.
19
,
092001
(
2017
).
38.
F.
Büttner
,
I.
Lemesh
,
M.
Schneider
,
B.
Pfau
,
C. M.
Günther
,
P.
Hessing
,
J.
Geilhufe
,
L.
Caretta
,
D.
Engel
,
B.
Krüger
,
J.
Viefhaus
,
S.
Eisebitt
, and
G. S. D.
Beach
,
Nat. Nanotechnol.
12
,
1040
(
2017
).
39.
S. S. P.
Parkin
,
R.
Bhadra
, and
K. P.
Roche
,
Phys. Rev. Lett.
66
,
2152
(
1991
).
40.
C.
Song
,
R.
Zhang
,
L.
Liao
,
Y.
Zhou
,
X.
Zhou
,
R.
Chen
,
Y.
You
, and
F.
Pan
,
Prog. Mater. Sci.
(published online 2020).
41.
X.
Chen
,
X.
Zhou
,
R.
Cheng
,
C.
Song
,
J.
Zhang
,
Y.
Wu
,
Y.
Ba
,
H.
Li
,
Y.
Sun
,
Y.
You
,
Y.
Zhao
, and
F.
Pan
,
Nat. Mater.
18
,
931
(
2019
).
42.
X.
Zhang
,
M.
Ezawa
, and
Y.
Zhou
,
Phys. Rev. B
94
,
064406
(
2016
).
43.
C.
Moreau-Luchaire
,
C.
Moutafis
,
N.
Reyren
,
J.
Sampaio
,
C. A. F.
Vaz
,
N.
van Horne
,
K.
Bouzehouane
,
K.
Garcia
,
C.
Deranlot
,
P.
Warnicke
,
P.
Wohlhüter
,
J.-M.
George
,
M.
Weigand
,
J.
Raabe
,
V.
Cros
, and
A.
Fert
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
444
(
2016
).
44.
O.
Boulle
,
J.
Vogel
,
H.
Yang
,
S.
Pizzini
,
D.
de Souza Chaves
,
A.
Locatelli
,
T. O.
Menteş
,
A.
Sala
,
L. D.
Buda-Prejbeanu
,
O.
Klein
,
M.
Belmeguenai
,
Y.
Roussigné
,
A.
Stashkevich
,
S. M.
Chérif
,
L.
Aballe
,
M.
Foerster
,
M.
Chshiev
,
S.
Auffret
,
I. M.
Miron
, and
G.
Gaudin
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
449
(
2016
).
45.
S.
Rohart
and
A.
Thiaville
,
Phys. Rev. B
88
,
184422
(
2013
).
46.
M. J.
Donahue
and
D. G.
Porter
,
OOMMF User’s Guide, Interagency Report NISTIR 6376
,
NIST Gaithersburg, MD
(
1999
).
47.
X.
Zhang
,
Y.
Zhou
,
K. M.
Song
,
T. E.
Park
,
J.
Xia
,
M.
Ezawa
,
X.
Liu
,
W.
Zhao
,
G.
Zhao
, and
S.
Woo
,
J. Phys. Condens. Matter
32
,
143001
(
2020
).
48.
W.
Jiang
,
G.
Chen
,
K.
Liu
,
J.
Zang
,
S. G. E.
te Velthuis
, and
A.
Hoffmann
,
Phys. Rep.
704
,
1
(
2017
).
49.
W.
Jiang
,
X.
Zhang
,
G.
Yu
,
W.
Zhang
,
X.
Wang
,
M. B.
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
).
50.
D.
Turnbull
,
J. Chem. Phys.
18
,
198
(
1950
).
51.
K. C.
Russell
,
Acta Metall.
17
,
1123
(
1969
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.