极化电流作用下坡莫纳米盘中磁涡旋的动力学行为研究

发布时间：2018-10-05 12:35

【摘要】：自旋极化电流产生的自旋转移矩效应(spin transfer torque, STT)是一种无需在外磁场的作用下就可以有效地操控磁矩方向的方法。磁涡旋的极性和手征性都可以作为携带信号的载体,所以STT驱动的磁涡旋在非易失性磁性随机存储器、超高密度记录、磁传感以及高频微波振荡器方面有着广泛的应用前景。本论文以纳米点接触方式通入极化电流,采用微磁模拟和解析计算的方法对有限尺寸坡莫纳米盘中磁涡旋的动力学行为进行研究,主要内容如下：我们将垂直极化电流通过几十纳米大小的接触点通入坡莫纳米盘中以实现对磁涡旋动力学的激发,首先研究了单个纳米接触点在盘中心时磁涡旋的动力学行为,包括磁涡旋核的极性反转、手征性反转以及极性和手征性共同反转等动力学行为。接着探讨了单个纳米接触点偏离盘中心时对磁涡旋核极性反转的影响,找到了一种减小临界反转电流密度和反转时间的方法。我们还进一步研究了在盘直径上分布的三个纳米接触点驱动下的磁涡旋的完整动力学过程,包括磁涡旋核的极性反转和暂态构型以及磁涡旋的旋转回归运动轨迹、旋转频率等。当单个纳米接触点位于有限尺寸的坡莫纳米盘中心时,适当改变电流流向和电流的极化方向,通过调节电流密度的大小可以激发磁涡旋的旋转回归运动并实现对磁涡旋核的极性和手征性的反转。当电流的极化方向和磁涡旋核的极性方向相反时,磁涡旋核的极性才可能发生反转,反转方式为磁涡旋与反磁涡旋的形核和湮灭机制；当电流产生的奥斯特场的方向和磁涡旋的手征性方向反平行时,磁涡旋的手征性才可能发生反转,而且根据电流密度的大小不同,会有两种不同模式的反转方式：当电流密度较低时,是几个磁涡旋与反磁涡旋的形成和湮灭造成了磁涡旋的手征性反转,而当电流密度较高时,磁涡旋核在整个反转过程中始终位于盘的中心,是径向和角向自旋波导致了磁涡旋手征性的反转。与纳米接触点位于盘中心时相比,如果使纳米接触点偏离盘中心,我们发现磁涡旋核的极性反转行为发生了很大变化。当纳米接触点被设置在与盘中心有一定距离时,系统总有效势能的圆周对称性被打破,导致磁涡旋核很容易被激发,而且磁涡旋核速度的周期性振荡使其很容易达到临界反转速度而发生反转,进而大大减小了磁涡旋核极性反转的临界电流密度和反转时间。适当调节纳米接触点的位置,可以使临界电流密度减小50%以上,另外,磁涡旋核反转位置的相对固定还可以用于信息加密存储设备。纳米接触点增加到三个时的坡莫纳米盘中磁涡旋的动力学现象更为丰富。通过调节三个纳米接触点之间的距离和电流方向,不仅可以获得不同于正常的旋转回归运动,而且还可以实现磁涡旋核极性的反转,在电流密度较高且纳米接触点间的距离较大时,还得到了不同的暂态磁涡旋构型。这里磁涡旋核的旋转回归运动,是磁涡旋核被激发后,以不规律的速度和半径增长,达到稳态后磁涡旋核以周期性变化的速度和半径作稳态旋转。而且磁涡旋核的运动轨迹不再是圆形,具体的轨迹形状受系统奥斯特场能分布的影响。另外,磁涡旋核在运动过程中受到的不均匀的各项场力造成了其在稳态旋转后瞬时角频率的周期性变化,进而导致了磁涡旋核在稳态运动过程中速度也呈周期性变化。随着电流密度的进一步增加,磁涡旋核的极性发生了反转,但三种不同方向的电流组合下,不仅磁涡旋核极性反转的时间有很大不同,而且反转后磁涡旋核还可能不回到纳米盘的中心。通过对三种不同方向电流组合下系统总有效势能的解析计算,发现是因为系统总有效势能的非对称性分布造成了磁涡旋核极性反转的快慢不同以及反转后位置的变化。在电流密度更高及纳米接触点间距离更大时,在纳米盘上形成了丰富的暂态磁涡旋构型,说明电流产生的奥斯特场对磁矩构型有较大影响,同时纳米接触点间距离大也为新构型的形成提供了足够空间。
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【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1

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