磁场和自旋极化电流驱动的磁性畴壁动力学研究

Based on numerical simulations of the Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) equation, magnetic domain-wall dynamics driven by magnetic fields and spin-polarized currents in low-dimensional nano-materials is investigated. The research topics include dynamic phase transitions in domain-wall motion, dynamic effects of temperature and thermal fluctuations, how to increase the domain-wall velocity, and overcome the Walker breakdown. The purpose of the project is to provide a comprehensive numerical study of the non-equilibrium domain-wall dynamics in low-dimensional nano materials. The numerical study of the dynamic phase transitions with the LLG equation touch an important basic problem in statistical physics. A key step in the research project is to tackle the dynamic phase transitions with the short-time dynamic approach. On the other hand, to drive the domain-wall propagation efficiently, different microscopic interactions are constructed, and magnetic fields and spin-polarized currents with different spatial and temporal structure and different orientations are applied.

本项目应用Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) 方程，对低维纳米材料中磁场和自旋极化电流驱动的矢量磁性畴壁运动，开展数值模拟研究。研究的重点是畴壁运动中的动力学相变，温度和热涨落效应，以及如何有效地驱动畴壁的运动，提高运动速度，消除沃克极限等。目标是通过系统和深入的数值模拟研究，发展畴壁运动的非平衡态动力学及其在纳米磁性元件的潜在应用，而应用LLG方程研究动力学相变则触及统计物理的重要基本问题。项目的关键课题之一是应用短时动力学方法，开展非稳态的LLG方程的数值模拟，研究矢量畴壁的动力学相变。另一方面，通过构造不同的微观相互作用，施加不同时空结构和取向的驱动磁场和自旋极化电流，研究如何有效地驱动矢量畴壁的运动。

磁性材料的磁化反转是电子器件中的信息存储和读取的核心物理过程，而磁性畴壁运动是低维纳米材料中弱外场驱动的磁化反转的主导机制，因而成为近年来的研究热点。同时，外场驱动下的畴壁运动是典型的非平衡态动力学过程，探讨其运动规律对非平衡态统计物理的发展具有重要理论意义。本项目应用Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) 方程，对低维纳米材料中磁场和自旋极化电流驱动的矢量磁性畴壁运动，开展数值模拟研究。研究的重点是畴壁运动中的动力学相变，温度和热涨落效应，以及如何有效地驱动畴壁的运动等。项目的创新点之一是，应用LLG方程研究无序相互作用诱导的畴壁运动的钉扎-退钉扎动力学相变。证实了钉扎-退钉扎动力学相变的存在和远离平衡态的动力学标度行为，以此为基础发展了较系统的动力学测量方法，精确测量相变点和临界指数。这一研究思路可以推广到有限温度动力学系统以及各种动力学相变研究，同时触及统计物理的重要基本问题。另一方面，紧跟非平衡态统计物理及其应用的前沿动态，开展复杂动力学系统，特别是非稳态/非平衡态动力学关联函数计算研究。项目的创新点之二是，当复杂动力学系统离稳态并不太远时，我们提出一个计算非稳态动力学系统的时间和空间关联函数的思路和方法，并应用于几类典型的复杂动力学系统研究，如金融、社会、气象和生物系统，得到有重要意义的结果。项目负责人共发表SCI论文17篇；培养博士生7名，硕士生3名，指导博士后1名；应邀参加重要国际会议并作特邀报告5次，重要国内会议并作特邀报告6次。