低维磁性模型中畴壁运动钉扎相变的数值模拟研究

Domain-wall dynamics in low-dimensional magnetic models has been a focus of theoretical and experimental studies. Domain-wall motions in low-dimensional magnetic materials present different transition phenomena such as order-disorder, pinning-depinning and relaxation-creep phase transitions. The morphology of interface is impacted by factors such as the strength and type of driving force or the strength and form of randomness. For the domain-wall motion in magnetic films, the Edwards-Wilkinson equation with quenched disorder (QEW) is a typical theoretical approach. The QEW equation is a phenomenological model, without detailed microscopic structures and interactions of materials. Furthermore, the theoretical self-inconsistence is puzzling in the QEW equation. The predictions of QEW equation deviate from experiments. For dealing with these problems, in this project, we use Monte Carlo methods to simulate the motions of domain-wall in lattice models including microscopic interactions. We will research the phase transitions and critical phenomena of domain-wall motions in the lattice models systematically, especially the pinning-depinning transition, and compare the predictions with ones of other models and experiments. The importance of this project is that the motion of domain-wall is a typical nonequilibrium dynamics from a theory point of view and it is related to the new classes of storage instrument and the logic operation components from an application point of view. This project has both theoretical and applied significance.

低维磁性模型中的畴壁运动现象是近年来理论和实验研究的热点。研究结果表明低维磁性材料中畴壁呈现出各种不同的运动形态和相变现象。如：有序-无序相变、钉扎-退钉扎相变、弛豫-蠕动相变等。驱动力类型、随机场分布形式和强度等均影响畴壁的形态。过去一些年，描述畴壁运动的典型方法是无序淬火的QEW方程。该方程未考虑微观相互作用，理论上也存在一定的不自洽性，并且理论与实验结果存在差别。因此，本项目将引入含无序相互作用的微观格点模型，用蒙特卡罗方法模拟低维磁性模型的畴壁运动。系统地研究畴壁运动的相变和临界现象，特别是钉扎-退钉扎相变，并与其他理论模型和实验进行比较。本项目研究的科学意义在于：理论上，畴壁运动是典型的非平衡态动力学过程；应用上，畴壁运动与新型的存储设备及逻辑运算元件的开发相关。因此，该项目的研究具有重要的理论意义，同时也具有一定的实用价值。

本项目主要研究对象是低维磁性材料的畴壁运动现象，该问题在理论和实验方面一直是热点问题。项目研究的目的是发展带无序相互作用的微观格点模型，通过蒙特卡罗方法模拟低维磁性材料的畴壁运动，系统地研究畴壁运动的相变和临界现象。本项目的主要研究内容和结果如下：（1）对二维clock模型，比较了单自旋翻转的Metropolis算法、Heatbath算法、Metropolis和Heatbath算法相结合的方法，研究发现，从幂次行为的开始时间和长度区间来判断，Heatbath算法是最有效的。同时，我们还发展了6态clock模型的概率表。（2）将XY模型中的赝磁化强度定义方法进行了推广，可适用于任何初态，以完全无序初态为例，赝磁化强度具有很好的幂次行为，并且也可用于确定二维Ising模型的温度相变点。（3）进行了缺陷TiO2中铁磁性的第一性原理计算，计算了在未掺杂TiO2中单个氧空位VO、单个钛空位VTi、特别是氧空位VO和钛空位VTi共存时的电子结构和磁性质，结果验证了氧空位VO可以提高铁磁有序，并且总磁矩随着氧空位VO数量的增多而增加，该结果与实验符合的很好。本项目的完成对低维磁性材料畴壁运动的深入探索提供了参考和一定的理论研究基础。