铁磁纳米结构中自旋波传播的微磁学研究

Spin waves are the eigen excitations that can propagate in ferromagnetic systems. Analogous to electromagnetic waves, properties of spin waves, such as frequency, phase and amplitude can also be used to carry information. Spin-wave Logic Gates (SWLG), compared with traditional ones, are more energetically efficient. Therefore, the development of SWLG is an important branch of the emerging Spintronics. Currently, the size of SWLG in experimental study is at the micrometer level, which can be expected to reduce to the nanometer level in the near future. For the design and optimization of nano SWLG，it is essential to study the propagation of spin waves in ferromagnetic nano-structures. Besides the fundamental interests in physics, this study would provide the theoretical basis and necessary knowledge for the development of nano SWLG. Micromagnetics is proved to be a powerful theoretical tool for the study of magnetization dynamics, including the excitation and propagation of spin waves, in ferromagnetic nano-structures. The proposed project will study the spin wave propagation in different ferromagnetic nano-structures, particularly in nano-wires with complex shapes, by using a finite-element method. The research results of this project will be helpful for the searching of proper spin-wave guides in ferromagnetic nano-structures and the achievement of control and manipulation of spin-wave propagation.

自旋波是可在铁磁系统中传播的本征振动，与电磁波类似，其频率、相位、幅度等可作为携带信息的载体。与传统的电子逻辑器件相比，自旋波逻辑器件具有能耗低等优点。因此，发展自旋波逻辑器件是新兴的自旋电子学的一个重要分支。当前，对自旋波逻辑器件的实验研究处在微米尺度，在可预见的未来将减小至纳米尺度。因此，对铁磁纳米结构中自旋波传播的理论研究除了物理学自身发展的意义之外，还可以为将来设计、优化纳米尺度的自旋波逻辑器件提供理论依据和知识储备。微磁学理论是研究铁磁纳米结构中的磁化强度动力学，其中包括自旋波的激发与传播的有力工具。该课题将通过基于有线元方法的微磁学模拟，研究自旋波在不同铁磁纳米结构，特别是在具有复杂形状的铁磁纳米线中的传播特性，加深对于本领域的理解，增加该领域的知识，从而为寻找具有优良品质的自旋波波导，达到对于自旋波传播的自由操控打下理论基础。

磁化强度动力学是自旋电子学中的重要组成部分，而自旋波是铁磁介质中磁化强度的本征振动。理解自旋波在铁磁纳米结构中的传播性质除了具有物理学本身的意义外，还可促进新一代自旋波电子器件的发展。本项目通过微磁学模拟的方法，对铁磁纳米结构中自旋波传播的相关问题进行了研究，在理论上预言了几种自旋波传播的新奇效应，其中包括自旋波的多普勒效应、铁磁纳米管中由样品表面曲率所导致的自旋波的非对称色散关系以及Dzyaloshinskii-Moriya相互作用引起的自旋波波阵面的倾斜等，并对自旋波的切伦科夫效应进行了后续研究。这些效应及相关物理机制的理解将有助于增加对自旋波的人为操控手段。例如，在自旋波多普勒效应的研究中，我们原则上提出了一种通过施加直流信号，实现波源可移动、频率精确可调的自旋波激发方式。而铁磁纳米管中自旋波非对称传播的研究则指出了通过样品几何形状调控自旋波传播性质的新途径。因此，这些研究结果对于发展未来的自旋波电子器件具有潜在的应用价值。