倾斜磁各向异性自旋阀结构中分岔与混沌研究

Compared with the spin valve structures with parallel or perpendicular anisotropy, the spin valve with tilted anisotropy holds more advantages in high-density data storage and microwave emission. Since the Landau–Lifshitz–Gilbert-Slonczewski (LLGS) equation that describes the magnetization dynamics of the spin valve with tilted anisotropy is highly nonlinear, the researches on bifurcation and chaos in.spin valve structures with tilted anisotropy become a significant scientific problem in spintronics. This project is based on the LLGS equation including the spin-transfer torque term, through computing Melnikov integral along the bifurcation orbit, we will display the chaotic-nonchaotic phase diagram of system. By using the methods of Poincaré mapping, we will study the route chaotic oscillation depending on the direct current density and the direction of tilted anisotropy through a series of period doubling bifurcations. Through drawing the largest Lyapunov exponents, we will propose the method of eliminating or suppressing the chaos. Through these researches, we hope to richen the theory of spin-transfer torque, and provide useful guide for the application of spin valve structures with tilted anisotropy.

与具有平行和垂直磁各向异性的自旋阀结构相比，倾斜磁各向异性自旋阀结构在高密度的数据存储和微波激发方面更具有优势。由于描述倾斜磁各向异性自旋阀结构磁动力学的Landau–Lifshitz–Gilbert-Slonczewski (LLGS)方程具有高度的非线性，因此倾斜磁各向异性自旋阀结构中的分岔与混沌研究成为了自旋电子学中一个重要科学问题。 本项目拟以包含自旋转移矩项的LLGS方程为基础，通过计算沿分岔轨道的Melnikov积分展示系统混沌-非混沌相图。运用Poincaré映射研究磁矩振荡行为随直流电流密度大小以及倾斜磁各向异性轴方向的变化而发生倍周期分岔、直至混沌振荡的行为规律。通过绘制系统的最大Lyapunov指数图，探寻消除或抑制系统混沌的方法。希望通过本项目的研究能丰富自旋转移矩理论，同时为实现倾斜磁各向异性自旋阀结构的实际应用提供有益的指导。

与具有平行和垂直磁各向异性的自旋阀结构相比，倾斜磁各向异性自旋阀结构在高密度的数据存储和微波激发中更具有优势。本项目针对倾斜磁各向异性自旋阀结构中自旋转移矩和自旋轨道矩驱动磁动力学中的一些关键问题开展研究。项目执行期间主要取得以下结果：1）考虑不同倾斜磁各向异性，利用稳定性分析方法，建立了由直流电流密度大小以及倾斜磁各向异性方向为控制参数的磁性状态相图，确定了不同参数区域系统的磁性状态。发现在不同参数区域，存在不同取向的稳态和进动态。通过调节直流电流密度大小和倾斜磁各向异性的方向，可实现磁化向量的翻转以及不同磁性状态的转换。通过画不同磁性状态磁矩随时间的演化验证了相图的正确性；2）以倾斜磁各向异性三端口磁隧道结为理论模型，研究了交流磁场激发的铁磁共振。发现共振曲线、共振位置和共振线宽以及能量的泵浦和耗散都可以通过改变直流电流密度大小以及倾斜磁各向异性的方向来进行调节。选择合适的直流电流密度大小以及倾斜磁各向异性的方向，系统的有效阻尼可以最小。倾斜磁各向异性为自旋矩调控的磁动力学提供了新的选择；3）通过联合分数信息和模糊熵算法，设计了一种基于分数阶熵测量算法的概念，应用此算法测量了混沌时间序列的复杂性。研究表明：提出的分数阶模糊熵算法对测量非线性混沌系统的复杂性非常有效，且分数阶模糊熵和最大李雅普诺夫指数有一个强烈的正的线性关系；4）从基本的控制参数如入射能量、入射角、调制势垒的宽度和强度等入手，利用转移矩阵方法，研究了基于双势垒调制型外尔半金属的手征隧穿相关的振荡透射和振荡电导等。发现高能共振现象主要来自于势垒与入射角度的耦合，低透射平台则由虚波传输所致。通过该项目的研究，不仅丰富了自旋矩理论，同时也为实现倾斜磁各向异性自旋阀结构的实际应用提供了有益的指导。