磁性纳米金属薄膜中磁畴壁的运动

Magnetic domain wall plays a very important role in magnetic storage. In this proposal, we will study the interaction between magnetic domain walls and spin waves in various nano-metal films in two ways. First of all, based on the spin wave theory, the pinning effect in magnetic domain wall, which is caused by defects, and exchange coupling, will be described in different magnetic nano-metal films, including nano-metal wires, exchange spring system. This kind of research leads to an easier way to optimize magnetic nano structures and fabricate high efficient magnetic storage devices. Secondly, the movement of magnetic domain wall in magnetic nano-metal under the pulse of current will be studied. A computational theory will be created which incorporates dynamic coupling between magnetisation and conduction electrons. The resulting theory will describe spin diffusion in the conduction electrons driven by precession of the magnetisation. Results will be important for data stability and effectivity in the information storage. These researches play the central role in novel schemes for high frequency devices, new logic schemes, and random access magnetic data storage applications.

磁性材料存储中，磁畴壁扮演着一个重要的角色。本项目主要是在不同磁性纳米金属薄膜结构中从两个方面来对磁畴壁与自旋波相互作用进行研究。首先，我们用自旋波理论模型方法，对不同磁性纳米结构（包括磁性纳米金属线，和由硬磁/软磁材料组成的交换弹簧磁性异质薄膜结构系统）中由于缺陷和交换耦合作用等对磁畴壁产生的钉扎效应进行研究，探索优化磁性纳米材料结构，这为制造高性能磁存储元器件奠定了坚实的理论基础。其次，主要是研究磁畴壁由于电流驱动在磁性纳米金属线中的运动，建立传导电子和磁化强度的动态耦合理论，其结果将用来描述由于磁化强度进动产生的传导电子的自旋扩散，这对信息存储中数据的稳定性和有效性有不可忽视的重要作用。本项目的研究对设计高频磁性材料器件，新型磁逻辑，和动态随机存储器件等都有着及其重要的理论指导和实验设计意义。

现代社会中，信息存储具有举足轻重的地位。信息存储主要是以磁性材料为媒介。磁性材料存储中对磁畴壁的精确控制是提高存储速度和存储密度的关键。本项目的主要研究内容和重要结果如下：.首先，我们用Landau-Liftshitz-Gilbert自旋波理论，对磁性纳米金属线系统中缺陷对磁畴壁产生的钉扎效应进行研究。磁性纳米金属线坡莫合金（permalloy）结构中，我们主要考虑了缺陷宽度、缺陷角度和缺陷中材料参数等对磁畴壁运动的影响。我们研究发现，对于坡莫合金纳米金属线，随着缺陷宽度的增加，临界驱动场呈现出先上升后下降的趋势，缺陷宽度15nm时达到最大的驱动场。而缺陷角度在45°至60°时为最佳，此时临界驱动磁场很大而电场比较小，即磁畴壁能保持最稳定的状态而只需要消耗很小的能量来驱动磁畴壁运动。.其次，研究了交换弹簧系统中界面交换耦合作用对磁化翻转的影响。交换弹簧系统由于界面处强烈的交换耦合作用，自旋波在界面处运动时会出现比较奇特的现象。我们发现在交换弹簧系统Fe3Pt/FePt中，软磁/硬磁材料界面处的强烈耦合会导致磁化强度的翻转呈现出从中央向四周辐射状的变化。这种变化在周期性圆柱形纳米结构中具有显著的表现。而且软磁层厚度对磁化翻转具有决定性作用。软磁层越厚，coercive field越大。.再次，根据Zhang-Li模型，引入自旋极化电流，研究了动态磁畴壁中传导电子的自旋扩散和磁畴壁诱导的自旋波之间的相互作用。由于电子自旋产生的自旋力矩效应（spin torque），磁性纳米金属坡莫合金线中磁畴壁会发生运动，而纳米线中的缺陷在钉扎磁畴壁有决定性作用。我们发现，随着缺陷宽度的增加，临界驱动电流呈现出先上升后下降的趋势，在缺陷宽度为10nm时达到最大的临界驱动电流。随着缺陷宽度的增加，磁畴壁形态会从transverse转变为vortex形态。缺陷宽度10nm是transverse磁畴壁转变为vortex磁畴壁的临界宽度。这些结果可以用来描述由于磁化强度进动产生的传导电子的自旋扩散，对信息存储中数据的稳定性和有效性有不可忽视的重要作用。.综上所述，我们的研究工作对设计高频磁性材料器件，新型磁逻辑，和动态随机存储器件等都有及其重要的理论指导和实验设计意义。