电流驱动磁性skyrimion纳米振荡器的研究

In this project, we propose a new skyrmion-based nano-oscillators. We will firstly investigate the single skyrmion motion induced by spin-polarized current in a magnetic spin valve (or magnetic tunnel junction ) nanodisk by micromagnetic theory and simulation. The trajectory of skyrmion core, frequency, power spectrum and linewidth will successively observed for a series of different parameters (such as different structure design, size, current density, DMI constant as well as the Gilbert damping coefficient et al.) in order to optimize the output parameters. Then the high frequecy mode of a skyrmion will be studied to detective the possibility of high-frequency, stability signal. At last, the experimental attempts will be done in order to obtain a new skyrmion-based oscillator.

本项目研究一种新型的基于skyrmion进动的纳米振荡器，研究如何调控振荡器的频率、功率以及线宽等关键参数。项目首先利用微磁学的基本理论和模拟研究在三明治结构磁性薄膜中，在自由层中产生的单个skyrmion在自旋极化电流作用下的回旋运动，获得进动频率、功率谱、线宽随结构设计、几何尺寸、电流密度、DM相互作用参数、衰减因子等参数的变化规律；在此基础上，研究skyrmion在圆盘中高频模式的激发，以期获得宽频、高功率、窄线宽的微波输出信号。最后，优化模拟参数，尝试实验上探索制备振荡器，并对其性能进行表征。该项目的立项，将为纳米振荡器的研究提供新的思路。

振荡器是用来产生具有周期性的模拟信号的电子电路，在磁存储，微波技术，无线电通讯以及传感器等相关领域有广泛的应用前景。随着信息产业的高速发展，传统的振荡器面临小型化、集成化方面的难题，因此纳米级振荡器的概念被提出。本项目以纳米振荡器为研究对象，系统研究基于磁skyrmion的纳米柱状三明治结构的磁性纳米振荡器。我们尝试用skyrmion态在圆盘中的运动，并结合STT效应来实现微波信号的产生；并通过各种外部激励（自旋极化电流、磁场、微波场、电场梯度、微波电场）调控skyrmion的运动，从而实现不同频率信号的输出，在此基础上，通过优化结构，利用skyrmion和畴壁之间的排斥作用来实现纳米振荡器阵列，从而实现振荡器频率的提高。通过以上内容的研究，获得了如下有意义的研究结果：（1）自旋极化电流、圆盘尺寸对单个skyrmion存在的纳米振荡器的频率有影响，当存在多个skyrmion时，输出信号频率进一步提高 （2）通过圆盘中引入环状刻槽来限制skyrmion的运动，能进一步提高skyrmion纳米振荡器的频率，当skyrmion个数为8个时，输出信号的振荡频率可以达到约16GHz （3）通过两个圆盘中间的连接桥，可以利用skyrmion和桥中间的畴壁的排斥实现另一种结构的振荡器，而且这种结构的振荡器可以设计成阵列，从而实现振荡器功率的大幅度提升（4）spin Hall effect 驱动的反铁磁skyrmion具有比skyrmion运动更快的速度，如果利用反铁磁skyrmion代替skyrmion设计振荡器，其频率将有大的提高；（5）twisted skyrmion在电流驱动下霍尔角随着螺旋度、阻尼系数以及耗散力张量有关；（6）较低频率的面内微波磁场激发出skyrmion的面内CCW模式，而较高频率的微波场激发面内CW模式，这两种模式的转换是通过线性的振荡来实现；（7）各向异性梯度、微波电场，磁场均对skyrmion运动有影响。