反铁磁畴壁的动力学研究

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自从人类进入以计算机为代表的信息化时代以来,各行各业都基于大量的数据来辅助决策、分析原因和预期规划等。海量的数据对硬盘、磁盘等存储设备的微型化、非易失性、大存储量的要求也越来越高,这些难题带动了自旋电子学领域的发展。在传统存储设备所用的铁磁材料中,由于偶极相互作用,存储单元之间相互影响较大。如果磁性存储器以反铁磁材料为基础,它将能抵抗电荷和磁场的扰动,同时反铁磁材料还具有对外场不敏感,净磁化强度为零,工作频率高和种类丰富等优点。磁畴壁是磁学中的一个很基础的概念,也是研究自旋电子学的重要对象。对畴壁运动规律的研究,不但能加深对宏观磁性的理解,也有着广泛的应用价值。近年来,研究人员已经提出了多种操纵反铁磁畴壁的方法,例如:自旋转移力矩,自旋波,自旋轨道力矩和热梯度等。然而,反铁磁畴壁的运动机制并没有完全清楚。而且,找到有效操纵反铁磁畴壁的新方法仍然是研究反铁磁畴壁的关键。在本论文中,通过基于原子自旋模型的数值模拟以及相应的理论分析,我们主要研究了反铁磁畴壁在旋转磁场以及自旋转移矩下的动力学现象。我们得到的结论如下:(1)在一维的反铁磁纳米线中,我们研究了反铁磁畴壁在旋转磁场下的运动规律。我们发现Dzyaloshinskii-Moriya interaction(DMI)在畴壁的运动中起到关键作用,当没有DMI时旋转磁场并不能驱动反铁磁畴壁移动。反铁磁畴壁运动的两种模式:第一,完全同步区域。在较低的旋转磁场频率范围内,反铁磁畴壁的旋转与旋转磁场完美同步,反铁磁畴壁的稳定速度只与旋转磁场的频率和DMI常数与交换常数的比率有关,而与阻尼和旋转磁场的强度都无关。第二,在较高的旋转磁场频率范围内(对应于不完全同步区域),反铁磁畴壁的运动为震荡模式,类似于铁磁畴壁的Walker崩溃现象。(2)我们研究了反铁磁畴壁在自旋转移矩下的运动规律。我们发现自旋极化电流方向非常重要,例如当极化方向与纳米线方向一致时,反铁磁畴壁不发生移动,只是纯旋转。我们基于数值模拟和理论分析发现,畴壁的翻转只与阻尼和电流强度的大小有关。其与电流密度的大小成正比,与阻尼的大小成反比。(3)在反铁磁畴壁纯旋转模式的基础上,如果所加的电流超过临界电流,以畴壁为起点可以激发出螺旋波。如果电流只是加在畴壁处,那么在距离畴壁较远的位置处,螺旋波的振幅会发生衰减,我们用局域电流调控螺旋波的振幅。当所加局域电流的极化方向与畴壁处电流极化方向相同时,螺旋波的振幅明显加强。反之,螺旋波的振幅减弱。螺旋波可以是左旋,也可以是右旋,根据这个特点,我们可以设计出Y型逻辑门:与门和或门。
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