Spin Control Controlling and manipulating the spin of an electron is a central requirement for applications in spintronics. Some of the challenges researchers are facing include efficient creation of spin currents, minimization of Joule heating, and extending the lifetime of electronic spins, which is especially important for quantum information applications. Costache and Valenzuela (p. 1645 ) address the first challenge by designing and fabricating an efficient and simple superconducting-based single-electron transistor that can produce spin current with controlled flow. Key to the design is asymmetric tunneling, which leads to a ratchet effect (or diode-like behavior), allowing the separation of up and down spins. Jonietz et al. (p. 1648 ) use electric currents five orders of magnitude smaller than those used previously in nanostructures to manipulate magnetization in a bulk material, MnSi, pointing the way toward decreased Joule heating in spintronic devices. This so-called spin-torque effect causes the rotation of the skyrmion lattice of spins, characteristic of MnSi, which is detected by neutron scattering. Finally, McCamey et al. (p. 1652 ) extend the short lifetime of an electronic spin of a phosphorous dopant by mapping it onto the much longer lived nuclear spin of the atom. Mapping the nuclear spin back onto the electronic spin allows production of a spin memory with a storage time exceeding 100s, which should prove useful for future practical applications.

An experiment demonstrates that the motion of so-called skyrmions—topologically quantized magnetic whirls—causes an emergent electric field that inherits the topological quantization of the skyrmions and is directly visible in the Hall effect. When an electron moves in a smoothly varying non-collinear magnetic structure, its spin orientation adapts constantly, thereby inducing forces that act both on the magnetic structure and on the electron. These forces may be described by electric and magnetic fields of an emergent electrodynamics1,2,3,4. The topologically quantized winding number of so-called skyrmions—a type of magnetic whirl discovered recently in chiral magnets5,6,7—has been predicted to induce exactly one quantum of emergent magnetic flux per skyrmion. A moving skyrmion is therefore expected to induce an emergent electric field following Faraday’s law of induction, which inherits this topological quantization8. Here we report Hall-effect measurements that establish quantitatively the predicted emergent electrodynamics. We obtain quantitative evidence for the depinning of skyrmions from impurities (at current densities of only 106 A m−2) and their subsequent motion. The combination of exceptionally small current densities and simple transport measurements offers fundamental insights into the connection between the emergent and real electrodynamics of skyrmions in chiral magnets, and might, in the long term, be important for applications.

The notion of non-trivial topological winding in condensed matter systems represents a major area of present-day theoretical and experimental research. Magnetic materials offer a versatile platform that is particularly amenable for the exploration of topological spin solitons in real space such as skyrmions. First identified in non-centrosymmetric bulk materials, the rapidly growing zoology of materials systems hosting skyrmions and related topological spin solitons includes bulk compounds, surfaces, thin films, heterostructures, nano-wires and nano-dots. This underscores an exceptional potential for major breakthroughs ranging from fundamental questions to applications as driven by an interdisciplinary exchange of ideas between areas in magnetism which traditionally have been pursued rather independently. The skyrmionics roadmap provides a review of the present state of the art and the wide range of research directions and strategies currently under way. These are, for instance, motivated by the identification of the fundamental structural properties of skyrmions and related textures, processes of nucleation and annihilation in the presence of non-trivial topological winding, an exceptionally efficient coupling to spin currents generating spin transfer torques at tiny current densities, as well as the capability to purpose-design broad-band spin dynamic and logic devices.

Chiral magnets support topological skyrmion textures due to the Dzyaloshinskii-Moriya spin-orbit interaction. In the presence of a sufficiently large applied magnetic field, such skyrmions are large amplitude excitations of the field-polarized magnetic state. We investigate analytically the interaction between such a skyrmion excitation and its small amplitude fluctuations, i.e., the magnons in a clean two-dimensional chiral magnet. The magnon spectrum is found to include two magnon-skyrmion bound states corresponding to a breathing mode and, for intermediate fields, a quadrupolar mode, which will give rise to subgap magnetic and electric resonances. Due to the skyrmion topology, the magnons scatter from a Aharonov-Bohm flux density that leads to skew and rainbow scattering, characterized by an asymmetric differential cross section with, in general, multiple peaks. As a consequence of the skew scattering, a finite density of skyrmions will generate a topological magnon Hall effect. Using the conservation law for the energy-momentum tensor, we demonstrate that the magnons also transfer momentum to the skyrmion. As a consequence, a magnon current leads to magnon pressure reflected in a momentum-transfer force in the Thiele equation of motion for the skyrmion. This force is reactive and governed by the scattering cross sections of the skyrmion; it causes not only a finite skyrmion velocity but also a large skyrmion Hall effect. Our results provide, in particular, the basis for a theory of skyrmion caloritronics for a dilute skyrmion gas in clean insulating chiral magnets.

Two centuries of research on phase transitions have repeatedly highlighted the importance of critical fluctuations that abound in the vicinity of a critical point. They are at the origin of scaling laws obeyed by thermodynamic observables close to second-order phase transitions resulting in the concept of universality classes, that is of paramount importance for the study of organizational principles of matter. Strikingly, in case such soft fluctuations are too abundant they may alter the nature of the phase transition profoundly; the system might evade the critical state altogether by undergoing a discontinuous first-order transition into the ordered phase. Fluctuation-induced first-order transitions have been discussed broadly and are germane for superconductors, liquid crystals, or phase transitions in the early universe, but clear experimental confirmations remain scarce. Our results from neutron scattering and thermodynamics on the model Dzyaloshinskii-Moriya (DM) helimagnet (HM) MnSi show that such a fluctuation-induced first-order transition is realized between its paramagnetic and HM state with remarkable agreement between experiment and a theory put forward by Brazovskii. While our study clarifies the nature of the HM phase transition in MnSi that has puzzled scientists for several decades, more importantly, our conclusions entirely based on symmetry arguments are also relevant for other DM-HMs with only weak cubic magnetic anisotropies. This is in particular noteworthy in light of a wide range of recent discoveries that show that DM helimagnetism is at the heart of problems such as topological magnetic order, multiferroics, and spintronics.

Magnetic materials hosting correlated electrons play an important role for information technology and signal processing. The currently used ferro-, ferri- and antiferromagnetic materials provide microscopic moments (spins) that are mainly collinear. Recently more complex spin structures such as spin helices and cycloids have regained a lot of interest. The interest has been initiated by the discovery of the skyrmion lattice phase in non-centrosymmetric helical magnets. In this review we address how spin helices and skyrmion lattices enrich the microwave characteristics of magnetic materials. When discussing perspectives for microwave electronics and magnonics we focus particularly on insulating materials as they avoid eddy current losses, offer low spin-wave damping, and might allow for electric field control of collective spin excitations. Thereby, they further fuel the vision of magnonics operated at low energy consumption.

Abstract The nanoscopic magnetic texture forming in a monolayer of iron on the (111) surface of iridium, Fe/Ir(111), is spatially modulated and uniaxially incommensurate with respect to the crystallographic periodicities. As a consequence, a low-energy magnetic excitation is expected that corresponds to the sliding of the texture along the incommensurate direction, i.e., a phason mode, which we explicitly confirm with atomistic spin simulations. Using scanning tunneling microscopy (STM), we succeed to observe this phason mode experimentally. It can be excited by the STM tip, which leads to a random telegraph noise in the tunneling current that we attribute to the presence of two minima in the phason potential due to the presence of disorder in our sample. This provides the prospect of a floating phase in cleaner samples and, potentially, a commensurate-incommensurate transition as a function of external control parameters.