Magnetic skyrmions hold promise for spintronic devices. To explore the dynamical properties of skyrmions in devices, a nanoscale method to image spin textures in response to a stimulus is essential. Here, we apply a technique for operando electrical current pulsing of chiral magnetic devices in a Lorentz transmission electron microscope. In ferromagnetic multilayers with interfacial Dzyaloshinskii–Moriya interaction, we study the creation and annihilation of skyrmions localized by point-like pinning sites due to defects. Using a combination of experimental and micromagnetic techniques, we establish a thermal contribution for the creation and annihilation of skyrmions in our study. Our work reveals a mechanism for controlling skyrmion density, which enables an examination of skyrmion magnetic field stability as a function of density. We find that high-density skyrmion states are more stable than low-density states or isolated skyrmions resisting annihilation over a magnetic field range that increases monotonically with density.

1.
X.
Zhang
,
Y.
Zhou
,
K.
Mee Song
,
T.
Park
,
J.
Xia
,
M.
Ezawa
,
X.
Liu
,
W.
Zhao
,
G.
Zhao
, and
S.
Woo
,
J. Phys. Condens. Matter
32
,
143001
(
2020
).
2.
W.
Jiang
,
G.
Chen
,
K.
Liu
,
J.
Zang
,
S. G. E.
te Velthuis
, and
A.
Hoffmann
,
Phys. Rep.
704
,
1
(
2017
).
3.
C.
Back
,
V.
Cros
,
H.
Ebert
,
K.
Everschor-Sitte
,
A.
Fert
,
M.
Garst
,
T.
Ma
,
S.
Mankovsky
,
T. L.
Monchesky
,
M.
Mostovoy
,
N.
Nagaosa
,
S. S. P.
Parkin
,
C.
Pfleiderer
,
N.
Reyren
,
A.
Rosch
,
Y.
Taguchi
,
Y.
Tokura
,
K.
von Bergmann
, and
J.
Zang
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
53
,
363001
(
2020
).
4.
A.
Fert
,
N.
Reyren
, and
V.
Cros
,
Nat. Rev. Mater.
2
,
17031
(
2017
).
5.
R.
Wiesendanger
,
Nat. Rev. Mater.
1
,
16044
(
2016
).
6.
N.
Nagaosa
and
Y.
Tokura
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
899
(
2013
).
7.
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
).
8.
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
).
9.
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
).
10.
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.
Mourad Chérif
,
L.
Aballe
,
M.
Foerster
,
M.
Chshiev
,
S.
Auffret
,
I. M.
Miron
, and
G.
Gaudin
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
449
(
2016
).
11.
S. D.
Pollard
,
J. A.
Garlow
,
J.
Yu
,
Z.
Wang
,
Y.
Zhu
, and
H.
Yang
,
Nat. Commun.
8
,
14761
(
2017
).
12.
A.
Soumyanarayanan
,
M.
Raju
,
A. L.
Gonzalez Oyarce
,
A. K. C.
Tan
,
M.-Y.
Im
,
A. P.
Petrović
,
P.
Ho
,
K. H.
Khoo
,
M.
Tran
,
C. K.
Gan
,
F.
Ernult
, and
C.
Panagopoulos
,
Nat. Mater.
16
,
898
(
2017
).
13.
G.
Yu
,
P.
Upadhyaya
,
Q.
Shao
,
H.
Wu
,
G.
Yin
,
X.
Li
,
C.
He
,
W.
Jiang
,
X.
Han
,
P. K.
Amiri
, and
K. L.
Wang
,
Nano Lett.
17
,
261
(
2017
).
14.
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
).
15.
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
).
16.
A.
Hrabec
,
J.
Sampaio
,
M.
Belmeguenai
,
I.
Gross
,
R.
Weil
,
S. M.
Chérif
,
A.
Stashkevich
,
V.
Jacques
,
A.
Thiaville
, and
S.
Rohart
,
Nat. Commun.
8
,
15765
(
2017
).
17.
R.
Juge
,
S.
Je
,
D. de. S.
Chaves
,
L. D.
Buda-Prejbeanu
,
J.
Peña-Garcia
,
J.
Nath
,
I. M.
Miron
,
K. G.
Rana
,
L.
Aballe
,
M.
Foerster
,
F.
Genuzio
,
T. O.
Menteş
,
A.
Locatelli
,
F.
Maccherozzi
,
S. S.
Dhesi
,
M.
Belmeguenai
,
Y.
Roussigné
,
S.
Auffret
,
S.
Pizzini
,
G.
Gaudin
,
J.
Vogel
, and
O.
Boulle
,
Phys. Rev. Appl.
12
,
044007
(
2019
).
18.
W.
Legrand
,
D.
Maccariello
,
N.
Reyren
,
K.
Garcia
,
C.
Moutafis
,
C.
Moreau-Luchaire
,
S.
Collin
,
K.
Bouzehouane
,
V.
Cros
, and
A.
Fert
,
Nano Lett.
17
,
2703
(
2017
).
19.
K.
Litzius
,
I.
Lemesh
,
B.
Krüger
,
P.
Bassirian
,
L.
Caretta
,
K.
Richter
,
F.
Büttner
,
K.
Sato
,
O. A.
Tretiakov
,
J.
Förster
,
R. M.
Reeve
,
M.
Weigand
,
I.
Bykova
,
H.
Stoll
,
G.
Schütz
,
G. S. D.
Beach
, and
M.
Klaüi
,
Nat. Phys.
13
,
170
(
2017
).
20.
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
).
21.
W.
Jiang
,
W.
Zhang
,
G.
Yu
,
M. B.
Jungfleisch
,
P.
Upadhyaya
,
H.
Somaily
,
J. E.
Pearson
,
Y.
Tserkovnyak
,
K. L.
Wang
,
O.
Heinonen
,
S. G. E.
Te Velthuis
, and
A.
Hoffmann
,
AIP Adv.
6
,
055602
(
2016
).
22.
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
).
23.
J.
Wild
,
T. N. G.
Meier
,
S.
Pöllath
,
M.
Kronseder
,
A.
Bauer
,
A.
Chacon
,
M.
Halder
,
M.
Schowalter
,
A.
Rosenauer
,
J.
Zweck
,
J.
Müller
,
A.
Rosch
,
C.
Pfleiderer
, and
C. H.
Back
,
Sci. Adv.
3
,
e1701704
(
2017
).
24.
L.
Peng
,
Y.
Zhang
,
M.
He
,
B.
Ding
,
W.
Wang
,
H.
Tian
,
J.
Li
,
S.
Wang
,
J.
Cai
,
G.
Wu
,
J. P.
Liu
,
M. J.
Kramer
, and
B.
Shen
,
npj Quantum Mater.
2
,
30
(
2017
).
25.
X. Z.
Yu
,
N.
Kanazawa
,
W. Z.
Zhang
,
T.
Nagai
,
T.
Hara
,
K.
Kimoto
,
Y.
Matsui
,
Y.
Onose
, and
Y.
Tokura
,
Nat. Commun.
3
,
988
(
2012
).
26.
X. Z.
Yu
,
Y.
Tokunaga
,
Y.
Kaneko
,
W. Z.
Zhang
,
K.
Kimoto
,
Y.
Matsui
,
Y.
Taguchi
, and
Y.
Tokura
,
Nat. Commun.
5
,
3198
(
2014
).
27.
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
).
28.
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
).
29.
S.
Zhang
,
J.
Zhang
,
Y.
Wen
,
E. M.
Chudnovsky
, and
X.
Zhang
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
192403
(
2018
).
30.
S.
Zhang
,
J.
Zhang
,
Y.
Wen
,
E. M.
Chudnovsky
, and
X.
Zhang
,
Commun. Phys.
1
,
36
(
2018
).
31.
Z.
Qin
,
Y.
Wang
,
S.
Zhu
,
C.
Jin
,
J.
Fu
,
Q.
Liu
, and
J.
Cao
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
,
36556
(
2018
).
32.
M.
He
,
G.
Li
,
Z.
Zhu
,
Y.
Zhang
,
L.
Peng
,
R.
Li
,
J.
Li
,
H.
Wei
,
T.
Zhao
,
X.-G.
Zhang
,
S.
Wang
,
S.
Lin
,
L.
Gu
,
G.
Yu
,
J. W.
Cai
, and
B.
Shen
,
Phys. Rev. B
97
,
174419
(
2018
).
33.
L.
Wang
,
C.
Liu
,
N.
Mehmood
,
G.
Han
,
Y.
Wang
,
X.
Xu
,
C.
Feng
,
Z.
Hou
,
Y.
Peng
,
X.
Gao
, and
G.
Yu
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
11
,
12098
(
2019
).
34.
M. J.
Benitez
,
A.
Hrabec
,
A. P.
Mihai
,
T. A.
Moore
,
G.
Burnell
,
D.
McGrouther
,
C. H.
Marrows
, and
S.
McVitie
,
Nat. Commun.
6
,
8957
(
2015
).
35.
P.
Agrawal
,
F.
Büttner
,
I.
Lemesh
,
S.
Schlotter
, and
G. S. D.
Beach
,
Phys. Rev. B
100
,
104430
(
2019
).
36.
I.
Lemesh
,
F.
Büttner
, and
G. S. D.
Beach
,
Phys. Rev. B
95
,
174423
(
2017
).
37.
X.
Liu
,
M. M.
Steiner
,
R.
Sooryakumar
,
G. A.
Prinz
,
R. F. C.
Farrow
, and
G.
Harp
,
Phys. Rev. B
53
,
12166
(
1996
).
38.
M.
Grimsditch
,
E. E.
Fullerton
, and
R. L.
Stamps
,
Phys. Rev. B
56
,
2617
(
1997
).
39.
D.
Khadka
,
S.
Karayev
, and
S. X.
Huang
,
J. Appl. Phys.
123
,
123905
(
2018
).
40.
F.
Büttner
,
I.
Lemesh
, and
G. S. D.
Beach
,
Sci. Rep.
8
,
4464
(
2018
).
41.
S. Z.
Lin
,
C.
Reichhardt
,
C. D.
Batista
, and
A.
Saxena
,
Phys. Rev. B Phys.
87
,
214419
(
2013
).
42.
C.
Reichhardt
,
D.
Ray
, and
C. J.
Reichhardt
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
217202
(
2015
).
43.
J.
Müller
and
A.
Rosch
,
Phys. Rev. B
91
,
054410
(
2015
).
44.
J.
Iwasaki
,
M.
Mochizuki
, and
N.
Nagaosa
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
742
(
2013
).
45.
N.
Romming
,
C.
Hanneken
,
M.
Menzel
,
J. E.
Bickel
,
B.
Wolter
,
K.
von Bergmann
,
A.
Kubetzka
, and
R.
Wiesendanger
,
Science
341
,
636
(
2013
).
46.
C.
Hanneken
,
A.
Kubetzka
,
K.
Von Bergmann
, and
R.
Wiesendanger
,
New J. Phys.
18
,
055009
(
2016
).
47.
C.
Reichhardt
and
C. J. O.
Reichhardt
,
Phys. Rev. B
101
,
054423
(
2020
).
48.
L.
Xiong
,
B.
Zheng
,
M. H.
Jin
, and
N. J.
Zhou
,
Phys. Rev. B
100
,
064426
(
2019
).
49.
I.
Lemesh
,
K.
Litzius
,
M.
Böttcher
,
P.
Bassirian
,
N.
Kerber
,
D.
Heinze
,
J.
Zázvorka
,
F.
Büttner
,
L.
Caretta
,
M.
Mann
,
M.
Weigand
,
S.
Finizio
,
J.
Raabe
,
M.
Im
,
H.
Stoll
,
G.
Schütz
,
B.
Dupé
,
M.
Kläui
, and
G. S. D.
Beach
,
Adv. Mater.
30
,
1805461
(
2018
).
50.
A.
Vansteenkiste
,
J.
Leliaert
,
M.
Dvornik
,
M.
Helsen
,
F.
Garcia-Sanchez
, and
B.
Van Waeyenberge
,
AIP Adv.
4
,
107133
(
2014
).
51.
S. G.
Je
,
H. S.
Han
,
S. K.
Kim
,
S. A.
Montoya
,
W.
Chao
,
I. S.
Hong
,
E. E.
Fullerton
,
K. S.
Lee
,
K. J.
Lee
,
M. Y.
Im
, and
J. Il
Hong
,
ACS Nano
14
,
3251
(
2020
).
52.
L.
Thomas
,
M.
Hayashi
,
R.
Moriya
,
C.
Rettner
, and
S.
Parkin
,
Nat. Commun.
3
,
810
(
2012
).
53.
A. O.
Leonov
,
T. L.
Monchesky
,
N.
Romming
,
A.
Kubetzka
,
A. N.
Bogdanov
, and
R.
Wiesendanger
,
New J. Phys.
18
,
065003
(
2016
).
54.
J.
Castell-Queralt
,
L.
González-Gómez
,
N.
Del-Valle
,
A.
Sanchez
, and
C.
Navau
,
Nanoscale
11
,
12589
(
2019
).
55.
I.
Lima Fernandes
,
J.
Bouaziz
,
S.
Blügel
, and
S.
Lounis
,
Nat. Commun.
9
,
4395
(
2018
).
56.
T.
Matsumoto
,
Y. G.
So
,
Y.
Kohno
,
Y.
Ikuhara
, and
N.
Shibata
,
Nano Lett.
18
,
754
(
2018
).
57.
M.
Krajnak
,
D.
McGrouther
,
D.
Maneuski
,
V.
O’Shea
, and
S.
McVitie
,
Ultramicroscopy
165
,
42
(
2016
).
58.
K. X.
Nguyen
,
E.
Turgut
,
M. C.
Cao
,
J.
Glaser
,
Z.
Chen
,
M. J.
Stolt
,
S.
Jin
,
G. D.
Fuchs
, and
D. A.
Muller
, arXiv:2001.06900 (
2020
).
59.
W.
Legrand
,
D.
Maccariello
,
F.
Ajejas
,
S.
Collin
,
A.
Vecchiola
,
K.
Bouzehouane
,
N.
Reyren
,
V.
Cros
, and
A.
Fert
,
Nat. Mater.
19
,
34
(
2020
).
60.
S.
Woo
,
K. M.
Song
,
X.
Zhang
,
Y.
Zhou
,
M.
Ezawa
,
X.
Liu
,
S.
Finizio
,
J.
Raabe
,
N. J.
Lee
,
S.
Il Kim
,
S. Y.
Park
,
Y.
Kim
,
J. Y.
Kim
,
D.
Lee
,
O.
Lee
,
J. W.
Choi
,
B. C.
Min
,
H. C.
Koo
, and
J.
Chang
,
Nat. Commun.
9
,
959
(
2018
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.