铁磁薄膜中自旋轨道耦合矩诱导磁化翻转的理论研究

Manipulating the magnetization of ferromagnetic materials by electric methods has attracted intensive interests in the field of spintronics. It aims to design the ultra-fast and low energy consumption devices for information storage and processing. One of the efficient ways to control the magnetization reversal in ferromagnetic films is the current-induced spin-orbit torque (SOT). It is important to study the SOT-induced magnetization dynamics for the fundamental theory and potential application of the magnetization reversal in ferromagnetic films. In this project, we will theoretically investigate the SOT-induced magnetization dynamics in ferromagnetic films by using the non-equilibrium Green’s function combined with quantum dot model and tight-binding simulation. Our investigation will focus on the following subjects: developing a quantum transport theory to formulate the magnetization dynamics; the effect of structural symmetry breaking on the Rashba effect and further on the magnetization dynamics; the effect of ferromagnetic or normal disorder on the efficiency and energy consumption of magnetization reversal in ferromagnetic films. We hope the outcome of these investigations would improve the understanding of the SOT-induced magnetization dynamics from the mesoscopic scale, provide the theoretical reference for the design of information storage device, and further promote the development of spintronics.

电学方法调控铁磁材料的磁性是当前自旋电子学的研究热点之一，其目标是通过操控铁磁薄膜的磁化翻转，设计超快、低功耗的信息存储和处理器件。电流诱导产生的自旋轨道耦合矩是一种操控铁磁薄膜磁化翻转的有效手段。研究自旋轨道耦合矩诱导的磁矩动力学对铁磁薄膜中磁矩翻转的理论发展及其潜在应用具有十分重要的意义。本项目拟采用非平衡格林函数方法，结合量子点模型、紧束缚模拟等，对铁磁薄膜中自旋轨道耦合矩诱导的磁矩动力学性质进行理论和数值研究。主要研究内容包括：建立磁矩动力学的量子输运理论；结构对称性破缺对Rashba效应及磁矩动力学的影响；铁磁/非铁磁杂质对铁磁薄膜中磁化翻转效率及能耗的影响。这些研究将有助于从介观尺度提升对自旋轨道耦合矩诱导的磁矩动力学的理解，为信息存储器件的设计提供理论参考，从而推动自旋电子学的发展。

利用电流诱导的自旋轨道转矩调控铁磁材料的磁化方向在低能耗自旋电子器件的设计中有着巨大的应用前景。利用非平衡格林函数方法，我们从量子输运的角度建立了研究铁磁薄膜磁化翻转的微观理论。基于瞬时表象推导了与非铁磁电极相连的量子点磁动力学方程，基于Wigner表象推导了与铁磁电极相连的量子点磁动力学方程，并得到了Gilbert阻尼张量的格林函数表达式。利用紧束缚模拟，我们进一步研究了在不同外磁场和电流密度下，铁磁薄膜中由自旋轨道转矩引起的磁化翻转行为。为了理解横向结构不对称对由自旋轨道耦合转矩实现的磁化翻转的影响，我们利用第一性原理方法，计算了铁磁薄膜和楔形金属氧化物之间的势垒，并根据势分布提出了两种不同类型的Rashba相互作用。通过引入这两种不同类型的Rashba相互作用，可以将铁磁薄膜中磁化翻转所需的最小外磁场降低为零。这意味着可以利用横向结构的不对称性，来实现无外场纯电学方式驱动的磁化翻转。此外，我们还研究了不同电流密度下磁化翻转所需的时间，发现电流诱导自旋轨道转矩驱动下的磁动力学具有超快翻转的特性。我们的研究结果将有助于从介观尺度提升对自旋轨道转矩诱导的磁动力学的理解，为信息存储器件的设计提供理论参考，从而推动自旋电子学的发展。