电流驱动斯格明子在金属层状受限系统中运动行为的理论分析

Magnetic skyrmions are topologically stable spin configurations with small size and low driven currents, which is widely regarded as building blocks for next-generation magnetic storage. The main advantage of skyrmions lies in their peculiar dynamics behavior, especially in their interaction with conduction electrons and ability to move stably under low spin-polarized currents in racetrack. In this project, the motion of skyrmions driven by low spin current is systematically investigated in a constrained metallic layered system based mainly on the micromagnetics. Interactions between spin-driven skyrmions and edges in metallic layered system will be studied based on the three-dimensional finite differential micromagnetic software OOMMF combined with theoretical analysis, where the transverse drift of skyrmions as well as its control are discussed. In the meantime, the interactions between skyrmions and the deformation, squeeze and annihilation of skyrmions will be analyzed, the drift equation including the skyrmion-skyrmion interaction will be derived. The optimized size for skyrmions, the best distances between neighboring skyrmions as well as the optimized racetrack model and driven current will be obtained based on this research, which will set a good foundation for the application of skyrmions in ultra-dense information storage with fast processing speed.

磁性斯格明子是拓扑稳定的自旋结构，它体积小，驱动电流低，被广泛认为是下一代磁性存储的基本单元。斯格明子的主要优势在于它奇特的动力学性质，特别是它能够与传导电子相互作用，在低电流驱动下就可以在赛道上稳定地运动。本项目以微磁学为主，系统研究电流驱动斯格明子在金属层状受限系统中的运动行为。我们将通过微磁学的三维有限差分计算软件OOMMF，结合解析分析，研究电流驱动斯格明子在金属层状受限系统中与边界的相互作用，讨论运动引起的横向漂移及其抑制。同时，我们将分析斯格明子之间的相互作用以及斯格明子在赛道上的形变、挤压和湮灭行为，推导出包含斯格明子之间相互作用的漂移方程。在此基础上，给出优化的斯格明子尺寸、间距以及赛道模型和驱动电流，为斯格明子在超高密度快速磁性存储方面的应用打下良好的基础。

磁性斯格明子是拓扑稳定的自旋结构，它体积小，驱动电流低，被广泛认为是下一代磁性 存储的基本单元。斯格明子的主要优势在于它奇特的动力学性质，特别是它能够与传导电子相 互作用，在低电流驱动下就可以在赛道上稳定地运动。本项目以微磁学为主，系统研究了电流驱动斯格明子在金属层状受限系统中的运动行为。我们通过微磁学的三维有限差分计算软件OOMMF，结合解析分析，研究了电流驱动斯格明子在金属层状受限系统中与边界的相互作用，讨论运动引起的横向漂移及其抑制。同时，我们分析了斯格明子之间的相互作用以及斯格明子在赛道上的形变、挤压和湮灭行为，推导出包含斯格明子之间相互作用的漂移方程。在此基础上，设计了世界上首个基于斯格明子纳米振荡器的人工神经元，首个斯格明子类二极管,首个基于反铁磁斯格明子的纳米振荡器和反铁磁斯格明子逻辑门，为斯格明子在超高密度快速磁性存储方面的应用打下良好的基础。.我们还对反铁磁斯格明子和相关拓扑磁结构的运动行为进行了系统研究。首次从理论上研究了电流驱动反铁磁双麦纫的运动和混沌行为，系统研究了电流驱动反铁磁斯格明子和2π斯格明子的动力学行为，分析了缺陷对反铁磁斯格明子运动的影响；提出利用反铁磁畴壁的混沌行为来进行信号检测。这些研究为反铁磁斯格明子在超快存储方面的应用奠定了基石。.项目组共发表基金标注的相关SCI论文30篇，包括物理学和材料学顶级期刊17篇，其中Phys. Rev. B 5篇，Appl. Phys. Lett.8篇，Phys. Rev. Lett., Adv. Mater., Nanoscale 和Phys. Rev. Appl.各1篇，获四川省自然科学二等奖一项，授权国家发明专利2项，大幅度超额完成了任务书的规定。