磁纳米带中多畴壁磁结构的自旋极化电流驱动

The reading and writing operations of racetrack memory can be realized by spin-polarized current driven domain wall motion. In this project, based on Landau-Lifshitz-Gilbert equation and our new approach for spin dynamic simulation, we study the control of multi-domain-wall structure in magnetic nanostripes and the properties of spin-polarized current driven domain wall motion. Our new approach, which enable one to achieve the equilibrium state of magnetic system quickly, can be used to effectively study the effects of the microstructure, boundary, anistropy and the interaction between nanostripes on the micro magnetic structure in nanostripes. In combination with the traditional spin dynamic simulation, we can study both the pinning stabilization and the dynamical behavior of the micro magnetic structures in nanostripes. In detail，we study the transfer between transverse wall and vortex wall, single vortex and double vortices, etc., so as to realize an effective control and current driven motion of multi-domain-wall structure. These studies aim to giving theoretical suggestions for the technology of spin-polarized current driven domain wall motion.

未来赛道存储器的读和写可以通过自旋极化电流驱动畴壁运动来实现。本项目基于Landau-Lifshitz-Gilbert方程和我们新改进的自旋动力学模拟方法，研究磁纳米带中多畴壁磁结构的形成机制及其调控，进而研究自旋极化电流驱动多畴壁磁结构运动的特征等。利用我们新改进的自旋动力学模拟方法可快速找到系统平衡态的特点，有效地研究纳米尺度系统中微结构、边界形状、磁晶各向异性以及磁纳米带间的相互作用等对磁纳米带微观磁结构的影响。结合传统自旋动力学模拟方法，研究各种微观磁结构的稳定性钉扎及其极化电流场作用下的动力学行为。揭示T型壁与V型壁之间、单涡旋结构和双涡旋结构之间，以及涡旋磁结构中各种能量简并态磁畴之间的转换与调控，实现多畴壁磁结构的有效调控及其在自旋极化电流作用下地有效驱动，为发展自旋极化电流能稳定可控地驱动畴壁运动的技术提供理论指导。

本项目研究磁纳米带上单个和多个畴壁的在自旋极化电流作用下的动力学行为，及相关的物理机理。通过基于Landau-Lifshitz-Gilbert自旋动力学的微磁模拟方法计算，探索通过调控垂直各向异性增强畴壁的运动速度、通过温度热激发抑制Walker breakdown（WB）的发生、畴壁与畴壁间的相互作用对畴壁动力学行为的影响、以及自旋波驱动磁畴壁运动的机制问题等。典型的成果如下：.（1）随着垂直各向异性增大，畴壁受到来自于系统束缚势的束缚力会非单调地先减小后增大，而来自于电流的驱动力单调地增大，导致畴壁运动速度会出现先减小后增加的非单调现象。这种非单调现象随着电流增大会逐渐消失，转变为畴壁运动速度单调增大的现象。主要原因是，电流较大时，驱动力相对束缚力取决定的作用，从而使畴壁运动速度随垂直各向异性增加呈单调增大。.（2）WB过程中畴壁磁矩震荡在一个周期内可分为两个阶段：一是畴壁的垂直磁矩增大，该阶段畴壁运动速度是增大的；另一是垂直磁矩减小，该阶段畴壁运动速度减小。总体上，导致畴壁的平均速度减小，这就是WB导致畴壁运动速度下降的原因。温度能够很好地抑制WB，使畴壁运动速度得到有效地增大。主要的原因是，热场能够破坏WB中磁畴壁极性的规则震荡，使磁畴壁极性震荡的周期增大，从而达到抑制WB的效果。.（3）畴壁与畴壁之间总是存在长程的相互吸引。这种长程吸引会使两个分处在相邻纳米带上的畴壁耦合在一起，当其中一个畴壁受到电流驱动时，另一个畴壁会跟着运动。如果多个畴壁两两取向相反放置在一条纳米带上，畴壁间除了长程吸引还存在短程排斥，这会导致多360o畴壁亚稳结构的形成。这种多360o畴壁结构在电流作用下可以像单个畴壁一样稳定运动，当电流大于uc时会发生湮灭。uc随360o子结构数目n360变化而变化，并呈现奇偶特性。这种奇偶效应与面外磁矩Mz有关。.（4）自旋波驱动畴壁运动总是伴随着畴壁两边磁畴能量失衡，其中一边磁畴能量密度减小，另一边磁畴能量密度增加，畴壁运动归功于能量密度小的磁畴扩张及能量密度大的磁畴缩小。在自旋波传播的区域能量密度会增加，而在自旋波的入射波与反射波叠加区域，能量密度减小。这种能量失衡机制能够很好地解释自旋波驱动磁畴壁运动的所有规律。