基于微观格点模型研究铁磁纳米线中的畴壁运动现象

During recent several years, the topic on domain-wall motion in ferromagnetic nanowires has been a focus of the theoretical and experimental studies. Lots of research results show that there are massive new domain-wall motion modes and dynamic phase transitions in ferromagnetic nanowires, such as the pining-depinning phase transition, Walker-breakdown phenomenon, spin-transfer torque effect, and so on. However, the understanding of these phenomena is still ambiguous. Up to date, theoretical approaches to the domain-wall dynamics in ferromagnetic nanowires are typically based on the LLG equation. While it is too complicated to be simulated in large-scale system, not to mention its application for dynamic phase transitions. In this project, we will build a microscopic lattice model and investigate the motion of domain wall induced by external field and spin-polarized current with Monte Carlo method. By using a dynamics method and combing the behavior of steady-state and nonsteady-state motion of domain wall, we will systematically investigate the law of the domain-wall motion under a time-dependent field H(t), determine the transition field, static and dynamic exponents, and identify the influence of the dimensionality crossover on the dynamic behavior of domain wall. There are two scientific significances of this project: on one hand, from a purely theoretical point of view, the domain-wall motion in ferromagnetic nanowires is a classical non-equilibrium dynamics process; on the other hand, from a pragmatic point of view, understanding the controlled movement of domain walls in ferromagnetic nanowires plays an important role in the filed of designing magnetic devices.

铁磁纳米线中的畴壁运动现象是最近几年理论和实验研究的焦点。大量研究结果表明铁磁纳米线中存在丰富而新颖的畴壁运动模式和动力学相变现象，比如钉扎相变、沃克击穿现象、自旋转矩效应等，而相关的理论解释尚不完全清楚。过去学者们一般使用LLG方程研究铁磁纳米线中的畴壁动力学。然而它很难进行大尺度数值模拟，更不用说研究相变现象了。而本项目将通过构建微观格点模型，用蒙特卡洛方法模拟铁磁纳米线中由外加磁场和自旋极化电流驱动的畴壁运动现象。使用动力学方法,结合畴壁稳态和非稳态行为，我们将系统地调查畴壁在非恒定外场驱动下的运动规律，精确地测量动力学相变临界点以及临界指数值，揭示系统空间维度变化对畴壁运动的影响。本项目的科学意义在于：一方面，铁磁纳米线中的畴壁运动是一个典型的非平衡态动力学过程，探讨其规律具有重要的理论意义；另一方面，理解铁磁纳米线中畴壁运动规律对磁性器件设计也具有一定的实用价值。

本项目报告研究范围针对纳米尺度的铁磁、铁电薄膜中畴壁运动行为。本报告研究目的是发展带弱无序相互作用的Ising类、 ϕ4类理论和Heisenberg类微观格点模型，通过开展Monte Carlo 动力学和基本微观运动方程的数值模拟研究外加磁场和电流驱动下畴壁的动力学行为；探讨畴壁运动中存在的各种动力学相变现象，并和传统的有序-无序相变对比；进一步发展非稳态的短时动力学模拟方法，把稳态和非稳态结合起来研究，从而较全面地掌握畴壁的稳态和非稳态运动规律。本报告的研究方法是：以Monte Carlo数值模拟方法为基础，根据实际材料的晶格结构和相互作用构造相应的微观格点模型，通过数值模拟研究纳米尺度下铁磁材料中的各种相变现象，并结合理论分析和数值计算解释其微观机理。本报告的研究内容主要是:（1）二维矢量格点模型研究畴壁运动中的钉扎相变,（2）动力学方法研究铁基超导材料中的相变现象,（3）交变外场作用下畴壁运动的蠕动行为,（4）无序噪音对相变现象的影响等, （5）发展了数值变分方法，并用它来探索双声子库自旋波色模型的基态量子相变现象,（6）用数值变分方法研究受激发电子（激子）在分子晶体模型Holstein Polaron模型的量子动力学行为。以这些成果为基础，已在国际一流物理专业刊物上共发表SCI论文10篇，其中包括物理评论E 3篇，物理评论B 2篇，欧洲物理快报1篇，科学报道1篇，物理化学期刊1篇，物理评论快报1篇以及自然交流1篇。 其中最具代表性的研究成果是：（1）建立畴壁运动的微观格点理论，包括标量Ising类模型，矢量p态Clock模型以及基于ϕ4类理论的哈密顿微观动力学方程。（2）揭示了钉扎相变和弛豫-蠕动相变的物理性质，包括相变类型、相变点、标度行为以及临界指数值等。（3）探索了铁磁、铁电材料中的噪音、空位以及阻挫对相变现象的影响。（4）揭示了双声子库的自旋波色模型的量子相变的相变类型，相变点以及临界行为。(5)揭示了光激电子在含有对角和非对角耦合分子晶体模型中的传播行为，以及相应的线性吸收谱形状。