斯格明子磁性结构的模型模拟研究

发布时间：2020-05-18 11:17

【摘要】：磁性材料中非共线的自旋结构因其新奇的物理现象得到了广泛的研究,而磁性斯格明子作为一种拓扑保护的,具有粒子特性的非线性自旋构型,常常出现在缺乏中心对称性的手性B20化合物(如MnSi、FeGe和Fe_(1-x)Co_xSi)中。斯格明子因其极低的电流驱动和高效的磁电耦合特性,很有可能被用于构筑下一代自旋电子器件、内存逻辑单元和微波器件。第一章,主要介绍斯格明子相关的背景知识。介绍了斯格明子的基本概念,利用中子散射或Lorentz透射电子显微镜对三维(MnSi)和二维(Fe_(0.5)Co_(0.5)Si)材料体系中斯格明子晶格的实验观测。第二章,主要介绍了微磁学研究的相关理论背景。利用包含各类磁性相互作用的自旋模型来模拟材料的磁性结构,蒙特卡洛模拟来模拟材料的退火过程,LLG方程来研究电流、磁场条件下磁性结构的动态演化。第三章,主要利用了自旋模型,并根据蒙特卡洛模拟和其他数值优化方法,对手性材料的磁性结构进行了模拟计算。对于三维体系,计算模拟了螺旋相、锥形相、斯格明子相这三种非线性磁性结构,简要地介绍了各个相的基本特点。对于二维体系,模拟得到的磁场-温度相图与其三维的情形有所差异,锥形态由于材料厚度的约束而消失,取而代之的是占据更大相区更加稳定的斯格明子相。第四章,主要利用了自旋模型和LLG微磁学模拟,探讨了磁场和电流对斯格明子动力学特性的影响。当斯格明子处于特定频率的交变磁场中时将会发生共振现象。沿着z轴施加的交变磁场会产生呼吸模式,而施加在平面内的交变磁场则会产生CCW和CW两种共振模式。电流能够有效地驱动斯格明子的运动,其运动的速度和电流密度成正比。绝热STT项主要影响着斯格明子沿着平行于电流方向的速度,而非绝热STT项主要影响着斯格明子沿着垂直于电流方向的速度。斯格明子具有一定的“粒子”性,在碰撞过程中可以在一定程度的形变后快速恢复原状,个体之间具有一定的互斥性。第五章,本论文的简要总结。
【图文】：

例如，磁畴和磁旋涡在自旋转移力矩的作用下可以被电流驱动，-电子器件上（比如磁性赛道内存）得到了应用。多铁中磁性诱导的个典型的例子。在 TbMnO3此类的绝缘磁体中，磁性螺旋将诱导不布，并进一步借由自旋-轨道耦合产生铁电极化[8]。自旋和铁电极化合会产生丰富的互相关现象，比如通过磁场的开关控制铁电极化[9]旋手性[10]和磁畴分布[11]等。了这些磁性结构，磁性斯格明子[12-14]作为一种纳米量级的自旋螺旋的研究。斯格明子最初由英国物理学家 TonySkyrme 为解释粒子物定性而提出的三维空间的非线性 sigma 模型的拓扑解[15,16]。在最初性斯格明子包含着指向各个方向的自旋，这些自旋包裹着球体朝外所示。当这些自旋逐渐的旋转时，它们的拓扑性仍然保持不变，如图为了纪念 Skyrme 的研究贡献，人们把核物理、量子 Hall 效应、液玻色-爱因斯坦凝聚等体系中出现的类粒子态(particle-likestate)都定(skyrmion)[17]。

图 1-2 二维体系下的斯格明子，单轴各向异性沿着垂直方向。斯格明子边缘的磁化指向上方，而中心的指向朝下。沿着半径方向由内到外，磁化强度沿着垂直于半径方图(a)）或平行于半径方向（图(b)）图(b)旋转了 2π。图(c)为二维斯格明子在施加外加磁的手性铁磁中的六方结构，形成三角的晶格结构。摘自文献[14]。有一种基于拓扑性来定义孤波的数学方法，这里即斯格明子数 Q：Q = ( ) (1-1)其中 q(x, y)为拓扑密度，表示为： ( ) = π ( × ) (1-2)其中 m 代表一个矢量场，这里代表铁磁材料的单位局域磁化强度。斯格明数表示了单位矢量 m(r)绕着单位球的包裹数。利用斯格明子的对称性，二格明子的单位矢量 m(r)可写作：
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O482.5

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本文编号：2669634