基于修正蒙特卡洛方法的交换偏置锻炼效应微观弛豫过程研究

In this project, the research emphasis is placed on the microscopic relaxation process of exchange-bias training effect. We adopt ferromagnetic/antiferromagnetic composite nanosystems with layered and granular morphologies as the research objects and perform a modified Monte Carlo method, which not only considers the thermal fluctuations, but also calculates exactly the energy of each spin and thus considers completely the energy barriers during the spin-reversal processes. We will study systematically the dependencies of training effect on different extrinsic factors such as temperature and cooling field as well as different intrinsic factors such as system size, interfacial coupling, and anisotropy easy-axis orientation at finite temperatures. Accordingly, we present the feasible methods to recover the exchange bias from the training effect. More importantly, by virtue of the advantages in computer simulations, we will record the instant evolutions of the microscopic spin configurations and energy distributions with magnetizing times during the occurrence processes of training and corresponding recovery effects, in order to establish the one-to-one correspondence between the macroscopic phenomena and the microscopic relaxation processes. Finally, by comparing between the macroscopic behaviors of exchange bias field, coercive field, magnetization and the changes of microscopic spin configurations and energy distributions, we will exhibit directly all the pictures of the microscopic relaxation processes of exchange-bias training effect, in order to demonstrate the origin of training effect and to provide the theory evidences in support of experiments.

本项目将重点研究交换偏置锻炼效应的微观弛豫过程，以层状和颗粒状铁磁/反铁磁复合纳米系统为研究对象，并采用修正的蒙特卡洛方法。该方法除了考虑热扰动的影响外，还将严格计算每个自旋的能量，继而完全考虑它们在反转过程中受到的能垒影响。我们将系统地研究有限温度下锻炼效应受不同的外在因素，如温度、冷却场等，以及内在因素，如系统尺寸、界面耦合大小、各向异性易轴方向等影响的变化趋势，并据此提出可行的从锻炼效应中恢复交换偏置的方法。更重要的是，凭借计算机模拟的优势，我们将记录锻炼效应与对应的恢复效应发生过程中的系统微观自旋构型及能量分布随磁化次数变化的即时演变过程，以建立宏观现象与微观弛豫过程的一一对应关系。通过对照宏观的交换偏置场、矫顽场、磁化强度的行为与对应的微观自旋构型及能量分布变化，最终我们将直观地呈现出全部的交换偏置锻炼效应的微观弛豫过程图像，以阐明锻炼效应的起源及为实验提供理论依据。

该项目旨在研究磁性纳米材料交换偏置锻炼效应的微观弛豫过程。申请人拟研究的模型对象包括二维层状薄膜和零维纳米颗粒。为了能够更精确地体现出硬磁材料中的磁弛豫过程，申请人发展了一种修正的蒙特卡洛方法，用其可以计算每个磁矩自旋反转时所受的能量势垒大小，以判断其在有限温度下的反转概率，模拟结果更接近实际情况。在实际的模拟研究中，申请人不仅阐述了铁磁/反铁磁双层膜系统交换偏置效应在锻炼效应背景下，铁磁、反铁磁尺寸、各向异性大小和方向，以及磁化过程对交换偏置效应及锻炼效应的影响之外，还选取了自旋玻璃/铁磁双层膜作为研究对象，结合实验现象，阐明了其交换偏置锻炼效应的微观机制。从中发现了在自旋玻璃体中存在着明显区别于反铁磁体的弛豫性质，并对该行为开展了系统的研究。申请人基于该项目获得的主要成果包括发现了自旋玻璃/铁磁和反铁磁/铁磁双层膜交换偏置效应的锻炼效应行为都遵循指数衰减的规律，并通过考虑界面接触部分和硬磁钉扎层体内对界面处的不同贡献，可以区分出两项独立的衰减项，这也为证明交换偏置效应本身不仅仅是界面效应提供了一个佐证。另一方面，申请人比较了自旋玻璃/铁磁和反铁磁/铁磁双层膜中交换偏置锻炼效应的结果后发现，在交换偏置锻炼效应的衰减项中，自旋玻璃基的体系在时间指数上会存在一个偏移常数，这个常数恒等于1，不随温度和冷却场的大小变化。经过申请人深入的研究发现，它的存在会直接减慢交换偏置锻炼效应的弛豫时间，并且同时会引起锻炼效应中第一次和第二次磁滞结果交换偏置效应的大的差值。而它的存在是由于自旋玻璃体内特有的竞争性交换相互作用性质所决定的，属于自旋玻璃体的内禀属性。申请人同时实现了对交换偏置锻炼效应下对应的磁化过程的再现，以阐明了交换偏置锻炼效应的起源。为实验提供了很有说服力的理论依据，很好的实现了项目当初设定的计划目标。