【摘 要】
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1988年,巨磁阻效应的发现,标志着自旋电子学的建立。在过去的30年里,基于自旋电子器件的磁性传感器和高密度信息存储也取得了飞速的发展。与传统的硬盘相比,基于纳米磁畴(如磁
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1988年,巨磁阻效应的发现,标志着自旋电子学的建立。在过去的30年里,基于自旋电子器件的磁性传感器和高密度信息存储也取得了飞速的发展。与传统的硬盘相比,基于纳米磁畴(如磁畴壁、磁性斯格明子)的磁赛道存储器可以大大地提高器件的存储密度。其中,磁畴是指磁性材料内部均匀磁化强度的区域,在各磁畴中,原子磁矩的排列各有相互平行的自发倾向,磁矩方向保持一致。在磁畴的边界处,磁矩从一个方向连续地过渡到另一个方向,从而形成磁畴壁。磁畴是磁性材料的特点之一,通常情况下,材料内部出现磁畴结构主要是为了降低退磁能。磁性斯格明子是一种手性自旋结构,具有局域非线性的自旋排布特征,这种结构是具有拓扑保护的,因此异常稳定。本论文主要运用微磁模拟的方法,针对磁性纳米线中磁畴链的动态调控以及基于磁性斯格明子的太赫兹信号发生器的相关问题进行了研究。(一)磁性纳米线中磁畴链的动态调控在该部分中,我们提出了一种在磁性纳米线中注入多个磁单畴形成磁畴链的简单而有效的方法。通过微磁模拟我们发现可以通过改变微波场的频率和自旋极化电流强度的周期来动态地调控磁畴链中磁单畴的个数,以及调节微波场的频率和自旋极化电流的强度来动态地控制磁畴链的静态特性,即其长度,间隔和相邻磁畴链之间的周期。从而为灵活的多比特信息存储应用提供了一种参考方案。研究发现:(1)当微波场的频率f从8.0 GHz减小到0.5 GHz时,每个磁畴链中包含的磁单畴的个数N,磁畴链的空间周期P和相邻磁畴链的间隔S都会增加。当固定微波场的频率f=8.0 GHz时,每个磁畴链中仅包含一个磁畴,即P=S。(2)当自旋极化电流强度u>1000 m/s时,才能够驱动成核的磁畴链沿纳米线移动。因此我们可以通过对自旋极化电流强度随时间变化的规律来进行编码,从而实现由不同磁畴数目的磁畴链组成的一系列复杂磁畴链。(3)微波场的频率f和自旋极化电流强度u的时间间隔都可以显著地影响所生成磁畴链的典型特征:每个磁畴链中所含单个磁畴的数量N,磁畴链的空间周期P,以及相邻磁畴链之间的距离S。(二)基于磁性斯格明子运动的太赫兹信号发生器在该部分中,我们提出了一种基于磁性斯格明子的可用于集成芯片的太赫兹信号产生方法。利用微磁模拟软件对在自旋转移矩驱动下磁性斯格明子的动力学行为进行了研究。研究发现太赫兹信号频率的影响因素主要包括:(1)太赫兹信号频率线性地依赖于自旋极化电流u的强度,当u从1×1010m/s增加到5.5×1014m/s时,信号频率f0/f1/f2分别增加了约0.69/0.14/2.06 THz。(2)磁性斯格明子晶格间距d对太赫兹信号频率有显著的调节作用,当自旋极化电流强度u=2.0×1014m/s,且磁性斯格明子晶格间距d分别为50/100/200nm时,f0=0.50/0.25/0.12 THz,f1=0.99/0.50/0.25 THz,f2=1.49/0.74/0.37THz。(3)太赫兹信号频率基本不依赖于外加磁场Hz,Dzyaloshinskii–Moriya相互作用值D和纳米线长度L。当磁矩检测区域大小S从4 nm增大到160 nm时,太赫兹信号的中心频率保持不变,相反,太赫兹信号的强度随S的增加而显著降低。
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