一种新的自旋量子效应——电流感应磁化翻转

电流感应的磁化翻转效应是近年来继巨磁阻效应(GMR)和隧道磁阻效应(TMR)之后提出的一种nm尺度下新的自旋相关效应,在无外加磁场的情况下,垂直于铁磁层平面的自旋极化电流就能引起铁磁层的磁化翻转。该效应有望被用于制作新型的电流操纵磁存储器件。报道了该效应的理论和实验的研究进展。

单颗粒链CoFe2O4纳米纤维磁结构的电子全息研究及磁化翻转机制

研究低维尖晶石型铁氧体材料微结构与磁结构之间的构效关系,对于丰富基础磁学理论以及设计新型的磁学电子器件具有重要的指导意义。本文采用静电纺丝法制备了单颗粒链的CoFe2O4纳米纤维,利用球差校正透射电镜对其形貌、化学成份、离子占位以及两颗粒之间的界面进行了系统地表征,结果表明纳米纤维具有连续的形貌结构和相对均匀的化学组分分布,基本结构由单个颗粒沿着纤维长轴堆垛生长而成,每个颗粒均是单晶,具有随机的晶体取向。随后利用离轴电子全息术对单根CoFe2O4纳米纤维的磁结构进行了观测,得到其零场下的磁化分布图。理论计算和微磁学模拟均表明,制备的单颗粒链CoFe2O4纳米纤维磁化翻转方式为一致翻转。

小尺寸正方形铁磁薄膜边界效应对磁化翻转过程的影响

用自旋动力学方法系统地研究磁偶极相互作用表现的边界效应对小尺寸正方形铁磁薄膜的磁化翻转过程的影响.在确定的磁偶极相互作用强度下,针对不同的单轴各向异性强度和不同的磁化角(外磁场与易轴间的夹角),具体给出矫顽场与磁化角及单轴各向异性强度之间的依赖关系和一些有代表性的磁滞回线,并给出磁化翻转过程中一些有代表性的微观磁结构.模拟结果表明:磁偶极相互作用表现的边界钉扎作用与单轴各向异性场之间的竞争决定磁滞回线的形状和矫顽场的大小,从而在不同磁化角情况下会导致不同的矫顽场机理.本文提出可有效地描述正方形铁磁性薄膜复杂微观磁畴结构的形成与演变的五磁畴模型.这种五磁畴模型既能直接揭示单轴各向异性正方形铁磁薄膜的几何特性和物理特性,也方便于磁化翻转过程的分析.

具有不同交换偏置方向的外延FeGa/IrMn双层膜的磁各向异性与磁化翻转

采用磁控溅射方法在MgO(001)单晶衬底上制备了交换偏置分别沿着FeGa[100]和[110]方向的FeGa/IrMn外延交换偏置双层膜,研究了交换偏置取向对磁化翻转过程与磁化翻转场的影响.铁磁共振场的角度依赖关系的测量与拟合,表明样品存在不同取向的四重对称磁晶各向异性、单向交换磁各向异性和单轴磁各向异性的叠加.矢量磁光克尔效应测量表明交换偏置沿着[100]方向的样品在不同磁场方向下表现矩形、非对称和单边两步磁滞回线;交换偏置沿着[110]方向的样品在不同磁场方向下表现单边两步和双边两步磁滞回线.考虑不同交换偏置方向的畴壁形核和位移模型,能够很好地解释磁化翻转路径随磁场方向的变化规律和拟合磁化翻转场的角度依赖关系,表明交换偏置方向的改变使得畴壁形核能发生显著变化.

自旋轨道矩协助自旋转移矩驱动磁化强度翻转

以磁隧道结/重金属层组成的三端口磁隧道结为理论模型,通过对包含自旋转移矩和自旋轨道矩的Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程做线性化稳定性分析,研究了自旋轨道矩协助自旋转移矩驱动的磁化强度翻转.发现在自旋轨道矩协助下,磁矩的翻转时间极大减小,翻转时间随自旋轨道矩电流密度的增大而减小,且自旋转移矩和自旋轨道矩的结合可实现零磁场的磁化翻转.另外,相比自旋轨道矩的类阻尼项,类场项在磁化强度的翻转中起着主导作用,且自旋轨道矩类场项的出现也可以减小磁化强度的翻转时间,磁化强度翻转时间随自旋轨道矩类场项强度的增大而减小.

用外磁场控制电流感应磁化翻转效应中的临界电流方法

应用基于磁动力学方程的宏观唯象模型,研究了弱外磁场下纳米尺度赝自旋阀结构的电流感应磁化翻转效应.在统一考虑铁磁/非磁界面的自旋相关散射以及铁磁层中的自旋积累和弛豫过程后,给出了赝自旋阀结构在弱外磁场下的磁化翻转条件和临界电流.对该效应的数值计算解释了弱外磁场下赝自旋阀结构的电阻-电流回线的偏移,并给出了用外磁场控制电流感应磁化翻转效应中的临界电流方法.

基于磁动力学方程的电流感应磁化翻转效应的宏观模型

提出了一个基于磁动力学方程的宏观唯象理论模型,对纳米级赝自旋阀结构的电流感应磁化翻转效应给出了明晰的物理解释:流入自由层的净自旋流和自由层内的自旋弛豫过程的共同作用,导致自由层总磁矩随时间的改变,甚至产生磁化方向的翻转.模型将“铁磁/非铁磁”界面的自旋相关散射,以及铁磁层中的自旋积累和弛豫过程,统一于宏观的磁动力学方程中.通过求解该方程的解析解,给出了赝自旋阀在电流激励下的磁化翻转条件和临界电流密度的表达式.对该效应的定性解释和数值模拟结果都和实验报道良好符合.根据模型分析了影响临界电流密度的诸因素,并指出提高器件性能的途径.

电流感应磁化翻转效应的改进的系综模型

运用宏观双通道扩散模型研究了赝自旋阀结构中的自旋相关输运过程,考虑到磁化强度矢量的横向分量的影响,建立了自由层磁化强度矢量的动力学方程,利用自旋流连续和化学势差连续作为边界条件.理论计算求解了电流感应磁化翻转效应中的临界电流,解释了铁磁层和非磁层电导率匹配问题和纵向场对电流感应磁化翻转效应中临界电流的影响.

GdFeCo磁光薄膜中RE-TM反铁磁耦合与激光感应超快磁化翻转动力学研究

使用飞秒时间分辨抽运-探测磁光克尔光谱技术,研究了激光加热GdFeCo磁光薄膜跨越铁磁补偿温度时稀土-过渡金属(RE-TM)反铁磁交换耦合行为和超快磁化翻转动力学.实验观察到由于跨越铁磁补偿温度、净磁矩携带者交换而引起的磁化翻转反常克尔磁滞回线以及在同向外磁场下,反常回线上大于和小于矫顽力部分的饱和磁化强度不同,显示出GdFeCo中RE与TM之间的非完全刚性反铁磁耦合.在含有Al导热底层的GdFeCo薄膜上观测到饱和磁场下激光感应磁化态翻转及再恢复的完整超快动力学过程.与剩磁态的激光感应超快退磁化过程比较,发现外磁场似乎并不影响磁畴结核和扩张速率,只影响磁化方向.

二维单畴磁性颗粒磁化快速翻转特性的研究

用数值模拟法研究了二维无限大单畴磁性薄膜的磁化翻转过程和特性.比较了单轴磁性薄膜和二重轴磁性薄膜的磁化翻转,发现二重轴磁性薄膜比单轴磁性薄膜更有优势.翻转场垂直于磁化初始态且在薄膜平面内时翻转所需的时间比翻转场施加在反平行于薄膜平面内磁化初始态时翻转所需的时间要短得多,而且在磁化翻转过程中垂直于薄膜平面的偏压场发挥着重要作用.翻转场和偏压场对磁化翻转的影响程度会随着阻尼系数α取值不同而呈现此消彼长的变化.

CoFeB/MgO磁隧道结的低电流密度磁矩翻转特性

基于Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski(LLGS)方程,研究平面型Co Fe B/Mg O磁隧道结的磁矩翻转特性.数值计算结果表明,Co Fe B与Mg O间的界面各向异性,可降低磁矩翻转的阈值电流密度,达到106A/cm2量级.固定层磁矩方向和类场自旋转移力矩对自由层磁矩的翻转时间有重要影响.当固定层磁矩与自由层磁矩之间有一个小角度时,可显著加快自由层磁矩翻转.当类场自旋转移力矩与自旋转移力矩之比为负值时,类场自旋转移力矩与自旋转移力矩将促进自由层磁矩翻转;当相应的类场自旋转移力矩与自旋转移力矩之比为正值时,类场自旋转移力矩将阻碍自由层磁矩翻转.该研究可供自旋转移力矩驱动的磁性随机存储器件设计借鉴.

变频偏振微波场辅助斯托纳粒子磁矩翻转的动力学研究

文章基于朗道-栗弗席兹-吉尔伯特(Landau-Lifshitz-Gilbert)方程研究了变频偏振微波场辅助斯托纳(Stoner)粒子磁矩翻转的动力学性质。考虑磁单轴各向异性,通过数值模拟研究了磁矩翻转的临界翻转场和对应的微波频率之间的关系。研究表明当偏振微波沿轴﹑轴两个方向的频率均接近于铁磁共振频率时,斯托纳粒子在磁矩翻转过程中需要最小的临界翻转场。这一研究结果有望应用于提高低功耗磁性存储器的存储性能。

CoFeB/IrMn/Fe交换偏置三层膜中CoFeB层的磁特性

采用磁控溅射镀膜方法制备了非晶CoFeB单层膜及CoFeB/Ir Mn/Fe三层膜。利用XRD进行了物相分析和结构表征,确定了Ir Mn和Fe的生长取向以及二者的外延关系。研究单层CoFeB薄膜翻转场和剩磁比与外磁场的关系,发现其具有微弱的单轴磁各向异性。研究表明三层膜结构中的CoFeB薄膜具有不同类型的磁滞回线,包括带有偏置的矩形和两步台阶状的磁滞回线及没有偏置的两步台阶状的磁滞回线。用90°畴壁成核与位移模型可以很好地拟合三层膜结构中CoFeB层与Fe层的磁化翻转场与外加磁场的角度关系,发现CoFeB层磁各向异性的转变源于界面的交换耦合作用。

混合时钟驱动的自旋神经元器件激活特性和计算性能

自旋神经元是一种新兴的人工神经形态器件,其具有超低功耗、强非线性、高集成度和存算一体等优点,是构建新一代神经网络的强有力候选者.本文提出了一种磁场辅助磁弹应变驱动的混合时钟自旋神经元,利用OOMMF微磁学仿真软件建立了该神经元器件的微磁学模型,基于LLG方程建立了其数值仿真模型,利用所设计的自旋神经元构建了3层神经网络,研究了不同纳磁体材料(Terfenol-D,FeGa,Ni)神经元器件的激活特性及其对MNIST手写数字数据集识别性能的影响.OOMMF仿真和数值模拟发现,设计的混合时钟结构能够成功驱动纳磁体发生随机磁化翻转,有效模拟生物神经元的激活行为和特性.MNIST手写数字识别结果表明:当输入不同范围的磁场使得3种材料的自旋神经元都达到饱和识别精度时,该自旋神经元器件具有与Sigmoid神经元器件相同的识别能力,有望替代传统的CMOS神经元,并且选择合适的磁致伸缩层材料能够进一步降低智能计算的整体功耗;当输入相同范围的磁场时,Ni构成的自旋神经元的识别速度较慢.研究结果可为新型人工神经网络和智能电路的设计及应用奠定一定的理论基础.

三端磁隧道结的稳定性分析

在理论上研究了磁隧道结/重金属层组成的三端磁隧道结中磁性状态的稳定性.以包含自旋转移矩和自旋轨道矩的Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG)方程为基础,通过对平衡点进行线性稳定性分析,得到了以钉扎层磁化向量方向和自旋轨道矩电流密度为控制参数的相图.相图中包括平面内的进动态和稳定态以及伸出膜面的进动态和稳定态.当钉扎层磁化向量在垂直薄膜平面内旋转时,通过调节钉扎层磁化向量方向,可以实现自由层磁化向量从稳定态到进动态的转化.当钉扎层磁化向量在薄膜平面内旋转时,在钉扎层磁化向量方向与自由层易磁化轴方向平行或者反平行的结构中,失稳电流最小,当钉扎层磁化向量方向逐渐偏离这两个方向时,失稳电流不断增加.调节自旋转移矩电流密度,可以实现磁化翻转,在自旋轨道矩的辅助下,可以减小翻转时间.相图的正确性通过画不同磁性状态磁化向量随时间的演化轨迹得到了验证.

多铁异质结构中逆磁电耦合效应的研究进展

电场调控磁性能够有效降低功耗,在未来低功耗多功能器件等方面具有巨大的潜在应用前景.铁磁/铁电多铁异质结构是实现电场调控磁性的有效途径,其中室温、磁电耦合效应大的应变媒介磁电耦合是最为活跃的研究领域之一.本文简要介绍在以Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))_(0.7)Ti_(0.3)O_3为铁电材料的多铁异质结构中通过应变媒介磁电耦合效应对磁性、磁化翻转及磁性隧道结调控的研究进展.首先讨论了多铁异质结构中电场对磁性的调控;之后介绍了电场调控磁化翻转的研究进展及理论上实现的途径;然后简述了电场对磁性隧道结调控的相关结果;最后在此基础上,对多铁异质结构中电场调控磁性及磁性器件进行了总结和展望.

纳米磁性存储单元的形状各向异性效应

用OOMMF软件研究了纳米磁颗粒内磁化强度的翻转,对比了磁化强度在各种不同形状的相同材料内的翻转时间,发现在双轴磁晶各向异性材料中磁化强度的翻转特性与材料的形状密切相关.矩形材料的各向异性能够有利于材料内磁化强度更快地翻转,而且可以降低翻转所需的外加磁场强度.

数据磁表面记录分析

一个功能较强的计算机系统,不但要有存取速度快,容量相当大的内存贮器,而且还要有存贮量大,可靠性高,存取速度快的外存贮器.目前广泛采用的外存贮器的磁盘(包括软磁盘和硬磁盘)正好满足上述要求.本文仅对磁盘存取二进制数据的磁表面记录原理进行分析.所谓数据磁表面记录,是指计算机电子电路把要记录的二进制数据序列转换为一序列有规律的脉冲。这种脉冲使磁盘表面的磁层(磁介质)产生磁化翻转。

软磁盘的峰值移动

前言自从美国IBM公司1972年宣布使用软磁盘以来,特别是美国Shugart公司1976年采用51/4英寸软盘后,软磁盘的发展异常迅速,应用范围日趋广泛,已深入到各个领域和部门,其品种也越来越多。