斯格明子在磁性纳米管上的动力学研究

论文摘要

磁性斯格明子是一种受拓扑保护的自旋结构。自第一次在实验上观测到斯格明子以来,斯格明子一直是凝聚态物理学的一个突出话题。由于斯格明子的拓扑稳定性、纳米尺度以及低电流阈值驱动的特点,斯格明子有望成为下一代自旋器件信息载体的候选者。然而,由斯格明子的非平凡拓扑结构造成的斯格明子霍尔效应,会导致斯格明子在器件的边缘堆积甚至是湮灭,这严重地阻碍了斯格明子的实际应用。由于纳米管结构在切向上没有边界,因此,即使存在斯格明子霍尔效应,斯格明子也不会在边界处消失。这激发了我们去研究斯格明子在纳米管上的运动。本论文主要通过微磁模拟,理论分析电流驱动下斯格明子在磁性纳米管上的运动。首先,为了了解磁性斯格明子在纳米管上的形成过程,我们通过调节DM相互作用的系数和纳米管的厚度,得到系统稳态的相图。当DM相互作用很小时,系统的稳态为单畴态。当DM相互作用取适中的值时,系统的稳态为斯格明子态。从纳米管的内表面到外表面,斯格明子的尺寸逐渐增大。同时,从模拟的结果我们看到形成的斯格明子是向右倾斜的,这是因为管状结构的曲面效应而导致的额外有效DM相互作用造成的结果。当DM相互作用很大时,系统的稳态为被拉伸的斯格明子态,斯格明子像螺旋一样被拉长到纳米管的两端。DM相互作用的系数为正时形成的是具有右手手性的螺旋,当DM相互作用的系数为负时形成的是具有左手手性的螺旋。然后,我们在无限长的纳米管上研究电流驱动下斯格明子的动力学。通过微磁模拟,我们发现斯格明子在纳米管上沿着螺旋的轨迹运动,它的速度正比于所施加电流密度的大小,在很大电流的时候也保持稳定,结构不会被破坏。作为比较,在平面结构上,由于斯格明子霍尔效应,斯格明子会偏移电流驱动的方向,最终在边界处湮灭。最后,我们研究了在纳米管上斯格明子速度的厚度依赖关系。我们发现,斯格明子的轴向速度不随厚度改变,和在平面结构中的结果一致。然而,在纳米管上,斯格明子的角速度会随着纳米管厚度的增加而增加,不同于平面的结构。在平面结构上,斯格明子的速度不随厚度变化。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 磁性斯格明子的概述
•   1.2 斯格明子的研究与发展
•   1.3 斯格明子的产生
•   1.4 斯格明子的输运以及斯格明子霍尔效应
•   1.5 斯格明子的探测
•   1.6 基于斯格明子的器件
•     1.6.1 赛道存储器
•     1.6.2 逻辑门
•     1.6.3 晶体管器件
•   1.7 本论文的研究内容
• 第二章 微磁学基本理论与磁化动力学
•   2.1 微磁学理论概述
•   2.2 微磁学中的基本能量
•     2.2.1 海森堡交换作用能
•     2.2.2 DM相互作用能
•     2.2.3 磁晶体各向异性能
•     2.2.4 塞曼能
•     2.2.5 退磁能
•   2.3 磁动力学基础
•     2.3.1 Brown方程
•     2.3.2 LLG（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程
•   2.4 斯格明子运动的蒂勒方程（Thiele equation）
•   2.5 本章小结
• 第三章 微磁模拟软件Mumax3 介绍
•   3.1 概述
•   3.2 模型搭建
•     3.2.1 参数设置
•     3.2.2 磁体几何形状搭建
•     3.2.3 初始磁矩设置
•     3.2.4 外部激励
•     3.2.5 求解器
•     3.2.6 输出
•     3.2.7 温度
•   3.3 本章小结
• 第四章 电流诱导斯格明子在磁性纳米管上的运动
•   4.1 引言
•   4.2 数值计算模型
•   4.3 数值模拟结果及讨论
•     4.3.1 斯格明子在磁性纳米管上的形成
•     4.3.2 斯格明子在磁性纳米管上的运动
•   4.4 理论分析
•     4.4.1 纳米管结构上的曲率效应
•     4.4.2 斯格明子运动的蒂勒方程（Thiele equation）
•   4.5 基于磁性斯格明子在纳米管赛道上的磁存储器
•   4.6 实验上的讨论
•   4.7 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间取得的成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王小凡

导师: 严鹏

关键词: 磁性斯格明子,纳米管,微磁模拟

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,材料科学

单位: 电子科技大学

分类号: O469;TB383.1

总页数: 68

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