铁磁畴壁中自旋极化电流诱导的左旋极化自旋波

极化指的是波偏振的方式,是波的一个基本性质.利用波的极化可以进行信息的编码,这一编码方式在光学和声学中得到广泛应用.利用自旋波进行信息的传递和处理是磁子学的主要研究课题.然而在铁磁材料中,由于只存在右旋极化的自旋波,利用波的极化进行信息的编码在铁磁自旋波器件中始终没有实现.前期研究发现,通过自旋极化电流可以在铁磁体中产生左旋极化自旋波,从而有望实现利用极化编码的自旋波器件.然而在一个均匀磁化铁磁体中产生左旋极化自旋波所需的电流密度过大,实验上难以实现.磁畴壁可作为自旋波波导,且畴壁中自旋波的截止频率趋近于零.本文从朗道-栗弗席兹方程出发,研究了在自旋极化电流存在的条件下磁畴壁中自旋波的色散关系和传播特性,证明只需要很小的自旋极化电流就可在畴壁中产生稳定的左旋极化自旋波.微磁学模拟证明了理论分析结果.该项研究为研制基于极化编码信息的自旋波器件提供了一个实际可行的方案.

磁畴壁拓扑结构研究进展

拓扑磁性斯格明子作为信息载体单元具备高可靠性、高集成度、低能耗等优势,有望提高数据读写精度、降低功耗,从而研发新型拓扑自旋电子学材料与原理型器件,为信息技术、5G通信和大数据等的高速发展提供材料与技术支持.但磁性斯格明子同时存在需要磁场稳定以及电流驱动下斯格明子霍尔效应引起偏转等缺点,严重阻碍了其在实际器件中的应用,因此探索新型拓扑磁畴结构和适宜应用的材料体系成为研究的关键.本文将重点介绍自2013年理论预言磁畴壁斯格明子以来,利用高分辨率洛伦兹透射电子显微镜原位实空间发现并研究磁畴壁拓扑麦纫和磁畴壁斯格明子的实验工作.首次在范德瓦耳斯Fe_(5–x)GeTe_(2)二维磁性材料中发现温度诱发的180°磁畴壁转变为拓扑麦韧链,研究了磁畴壁麦纫态在外界电场、磁场作用下的集体运动行为,揭示了基于自旋重取向、磁畴壁限域效应以及弱相互作用下生成磁畴壁拓扑态的机制.在该机制指导下,设计制备了具有自旋重取向的GdFeCo非晶亚铁磁薄膜,不仅获得了磁畴壁麦纫,验证了生成机制的普适性,还成功实现了畴壁麦韧对到畴壁斯格明子的可逆拓扑转变,开辟了基于磁畴壁等内禀限域效应开展拓扑磁性物态探索和研究的新方向.

铌酸锂导电畴壁及其应用

铌酸锂(LiNbO3,LN)是一种多功能的单轴铁电材料,广泛应用于光学调制器、光学频率梳、光波导等领域。导电畴壁(DW)作为镶嵌在绝缘材料中纳米尺度的导电通道,在非易失性存储器、逻辑门、晶体管等领域展现出重要的应用前景,促进了铌酸锂在纳米光电子学领域的应用。绝缘体上铌酸锂薄膜(LNOI)畴壁p-n结的实现有望进一步促进铌酸锂基光电一体化芯片的发展进程。本文简要回顾了铌酸锂导电畴壁的研究进展,介绍了畴壁的制备、导电机制、导电类型和畴壁的应用,重点介绍了铌酸锂畴壁p-n结的研究,进一步结合应用热点概述了铌酸锂畴壁光电子器件开发进程中的关键问题、机遇和挑战。

CoFeB纳米带中自旋波驱动横向畴壁移动动力学研究

CoFeB具有较大的饱和磁化强度和较低的阻尼系数,适合制备可控畴壁移动器件。通过微磁模拟,探究CoFeB纳米带中自旋波与横向畴壁间的动力学相互作用。模拟结果表明畴壁移动的速度和方向不仅受到自旋波频率的影响,而且和外加磁场强度、纳米带宽度等参数密切相关。当自旋波频率较低时畴壁难以被驱动,随着自旋波频率的升高,畴壁开始移动且移动方向与自旋波的传播方向相反。随着外加磁场强度的增大,畴壁反向移动速度先增大后减小,直至变为正向移动。当自旋波频率高于7 GHz时,畴壁的移动方向与自旋波的传播方向相同,并且畴壁速度随自旋波频率的变化呈现多峰结构,最大速度为384 m/s。畴壁正向移动时,其速度随外加磁场强度的增加逐渐变大。当纳米带的宽度增加时,畴壁有效场的不均匀性和质量都会增大,使畴壁移动的最大速度先增大后减小。使用CoFeB纳米带可以有效提高畴壁的移动速度,并且外加磁场强度与纳米带宽度对畴壁速度有显著的影响,为优化器件性能提供了新思路。

自旋波辅助对电流驱动磁畴壁移动的影响及其物理机理

通过微磁学模拟方法研究了长直线磁性纳米带中,自旋波辅助电流驱动磁畴壁移动的相关规律及其物理机制。结果显示,在小电流情形下,自旋波辅助能有效增高电流驱动磁畴壁移动速度,其移动速度随自旋波振幅的增大近似线性增大,随自旋波频率的增高呈现多峰非单调增大;但在大电流情形下,自旋波辅助对电流驱动磁畴壁移动速度的影响较小。进一步研究发现,施加的自旋波不仅驱动磁畴壁移动还能有效增强磁畴壁的垂直磁化强度,其垂直磁化强度的增幅随施加电流的增大而减小;另一方面,电流驱动磁畴壁移动的速度正比于磁畴壁的垂直磁化强度,因此自旋波辅助在小电流情形下能显著增大磁畴壁移动的速度,而大电流情形下,其增幅较小。

正弦微波磁场驱动亚铁磁畴壁动力学

亚铁磁畴壁在角动量补偿点附近具有非零净磁化强度,同时具有超快动力学性质,有望应用于未来的自旋电子学存储和逻辑器件中.探寻低能耗和高效驱动畴壁的手段和机制可以为实验设计和器件开发提供重要参考.本文使用理论分析和微磁学模拟研究了亚铁磁畴壁在正弦微波磁场驱动下的动力学行为,表明了微波磁场在一定的频率范围内可有效驱动畴壁运动,使得人们可通过调制不同频率的微波磁场来调控畴壁动力学.本文详细分析和解释了正弦微波磁场驱动亚铁磁畴壁的物理机理,探讨了双轴各向异性等参数对畴壁运动速度的影响,表明了磁各向异性和外加微波磁场频率等参量对不同净自旋角动量亚铁磁畴壁的调控行为.

拉应力对磁畴壁运动及磁声发射行为的影响

本文观察了晶粒取向3%Si-Fe在外加拉应力和磁场作用下,磁畴壁的运动及声发射强度(MAE)变化的一些现象.当应力较小时,MAE(RN)随应力变化较复杂,在大应力下,MAE(RN)显著降低.在硅钢片中,磁畴结构随拉应力的变化特性与产生的MAE有良好的对应性.取向纵向硅钢片沿轧向磁化时,180°条状畴会随场强变化而在某位置附近左右转动.磁畴受拉应力时产生分裂,其分裂速度是不连续的.当σ>200MPa时,条状畴似乎又有一定程度的宽化.

Sn对Nd-Fe-B合金高温(423K)磁后效和畴壁钉扎的影响

研究了Ｎｄ－Ｄｙ－Ｆｅ－Ｂ和Ｎｄ－Ｄｙ－Ｆｅ－Ｂ－Ｓｎ合金在４２３Ｋ的磁后效，发现两者的磁化强度都按时间对数衰减，Ｎｄ－Ｄｙ－ Ｆｅ－Ｂ－Ｓｎ合金的磁后效起伏场Ｈ_ｆ大于Ｎｄ－Ｄｙ－Ｆｅ－Ｂ合金．用Ｇａｕｎｔ的畴壁钉扎理论分析该温度下两者的钉扎机制后发现，对 于Ｎｄ－Ｄｙ－Ｆｅ－Ｂ－Ｓｎ合金，按畴壁强钉扎模型计算的钉扎密度与显微分析一致，因而，其反磁化过程在此温度下由畴壁强钉扎控制。 而Ｎｄ－Ｄｙ－Ｆｅ－Ｂ合金的实验结果，与强钉扎模型计算结果不相符，进一步分析表明，Ｎｄ－Ｄｙ－Ｆｅ－Ｂ合金的磁化反转过程由局域化弱钉扎控制。

温度、缺陷对磁畴壁动力学行为的影响

基于Landau-Lifshitz-Gilbert自旋动力学方法,研究了磁纳米条中缺陷、温度对其电流驱动磁畴壁移动性质的影响.研究结果表明:缺陷能有效钉扎电流对磁畴壁的驱动作用,并且其钉扎能力依赖于其缺陷浓度、位置及形态.而温度能有效地去钉扎.特别地,缺陷处的焦耳热能有效地消除其缺陷对磁畴壁的钉扎作用.进一步的研究表明:其影响磁畴壁移动的缘由在于缺陷、温度能有效调节磁纳米条中磁畴壁的面外磁化强度.

3类硬磁畴畴壁中垂直布洛赫线的温度稳定性

研究了温度作用下 3类硬磁畴畴壁中垂直布洛赫线 (VBL)的消失过程 ,发现和证实了普通硬磁泡 (OHBs) ,第I类哑铃畴 (IDs)和第II类哑铃畴 (IIDs)都存在一个与材料参量有关的VBL解体的临界温度范围 .对同一样品而言 ,3类硬磁畴的起始临界温度是相同的 ,而VBL完全解体的最低温度却是依次增加的 .在临界温度范围内 ,3类硬磁畴畴壁中的VBL是不稳定的 。

微型NiFe磁性薄膜元件中Neel畴壁极性的转变过程

观察和分析了３００μｍ×４０μｍ×４０ｎｍ的 ＮｉＦｅ磁性薄膜元件在难轴方向反磁化时磁畴结构转变，特别是 Ｎｅｅｌ畴壁从正极性壁（Ｎ_＋）转变为负极性壁（Ｎ＿）的全过程．磁畴结构的转变包含畴壁合并、封闭畴转变、钩形畴转变及Ｎｅｅｌ畴壁极性转变等不可逆因素．对畴壁极性转变的两种方式（即 Ｎ_＋→Ｎ＿直接转变及经由十字壁（Ｎ_ｃｔ）的 Ｎ_＋→Ｎ_ｃｔ→Ｎ＿间接转变）进行了分析讨论． Ｎ＿往往在元件末端新生封闭畴和正极性主畴壁的连结点成核，然后向中间扩展． Ｎ_＋→Ｎ_ｃｔ的转变是通过 Ｎ_＋ 壁的数次分裂来实现的．

磁畴和畴壁的实验演示

利用透射光法进行磁畴和畴壁的实验演示．在磁性材料的薄膜中，若无外加磁场时，可以观察到很多蜿蜒曲折的条状磁畴．当垂直薄膜面上加一个磁场（磁化场）时，这些条状磁畴就会产生变化．凡与外加磁场方向一致的磁畴体积扩大，与外加磁场方向相反的磁畴体积会缩小．

磁性金属纳米结构的畴壁特性与磁逻辑电路构筑

自旋电子学由于其丰富的物理内涵和广泛的应用前景受到学术界和工业界的高度重视,成为近年来凝聚态物理和信息技术领域关注的焦点。本文介绍了利用磁性金属纳米结构实现作为自旋电子器件基础的自旋注入的方法,特别涉及利用铁磁金属纳米点接触结构钉扎磁畴的特点,研究自旋极化电流与磁畴壁的相互作用规律,理解纳米结构中畴壁的动力学行为,并以此为基础构筑结构简单、性能优异的全金属磁逻辑电路,从而实现了由电信号驱动,通过电信号检测,并与CMOS技术兼容的目的。

微型磁阻元件中磁畴活动和畴壁态极性转变的研究

采用Bitter粉纹技术详细观察和研究了微型磁阻元件在磁化和反磁化过程中的磁畴结构，结果表明Barkhausen噪声来源于磁化和反磁化过程中的磁畴活动和畴壁态极性转变。磁阻元件中的曲折状畴的产生、强化和畴壁合并及畴壁态极性转变是不可逆过程，是磁阻元件输出信号噪声的主要根源。实验发现，在磁阻元件和引线的连接处存在着磁畴结构，且这一过程是不可逆的。目前尚未见过报道。这必然也是磁阻元件输出信号噪声的来源之一。

软硬磁界面应变造成的畴壁钉扎

基于平衡时总能量极小的条件,通过近似求解畴壁的欧拉方程,研究了软硬磁界面应变造成的180°畴壁钉扎的可能性以及畴壁在两种材料中的分布情况。解析推导出畴壁在两种材料中分布的近似表达式并数值研究了各种参数改变对此分布的影响。结果表明,在多数情况下畴壁将主要分布在界面处软磁区域一边。衬底材料对畴壁在界面的分布有很大影响。

低频弱磁场下180°畴壁位移引起的磁损耗

在低频弱磁场下 ,铁磁性材料中由于畴壁的振动使周围磁通量改变 ,从而在材料内部形成微观涡流 ,导致损耗 .这种因畴壁位移引起的微观涡流损耗对金属铁磁材料尤其突出 ,甚至超过通常意义下的涡流损耗 .

直流偏磁场对三类硬磁畴畴壁长度的影响

在不同的直流偏磁场Ｈｂ下，测量了石榴石磁泡膜中三类硬磁畴长度（Ｌ）、宽度（Ｗ）和泡径（ｄ）．从而得到Ｌ、Ｗ和ｄ随Ｈｂ变化的曲线．结果表明，三类硬磁畴的畴壁长度都随Ｈｂ的增加而缩短．

镍锌铁氧体磁畴壁动力学行为的研究

在室温下用匀速率增加磁场方法磁化不同居里温度的镍锌铁氧体试样，测得磁化强度Ｍ的时间变化率曲线表明，同一温度下随外场速率增加，曲线升高，微分磁化率ｄＭ／ｄＨ可以采用等效畴壁运动表示。

温度对普通硬磁泡畴壁中VBL链的影响

实验研究了温度对普通硬磁泡（ＯＨＢ）畴壁内垂直布洛赫线（ＶＢＬ）链的影响，发现存在一个与磁泡材料参量相关的使ＶＢＬ链解体的临界温度范围〔Ｔ１；Ｔ２〕。

直流偏场和面内场作用下ID畴壁中VBL链的消失

研究了直流偏场和面内场联合作用下第 类哑铃畴畴壁中 VBL链的消失 ,即软化过程 .实验发现 ,当直流偏场 Hb>Hsb′时 ,第 类哑铃畴的起始软化面内场 (Hip) OHB和临界面内场 Hip′的数值都比不加直流偏场时的数值低 。