在磁畴壁中传播的自旋波束缚态的探测原理

论文摘要

传统的CMOS器件工艺在历经几十年的发展后,现在已经进入了瓶颈期,低能耗与高集成度的矛盾限制了CMOS技术的进一步发展。而自旋波因其本身在磁性绝缘体材料的传播过程中没有焦耳热以及纳米尺度的波长范围等优良特性,在信息传输和数据处理等方面被给予了厚望。和电磁波类似,要引导自旋波的传播必须要有一个相应的磁结构,即自旋波波导。目前来看,用磁畴壁当作自旋波的波导是一个比较好的选择,其原因有下面两点:（1）磁畴壁相当于一个势阱,在频率合适的时候,自旋波会被束缚在里面传播,能耗较低;（2）磁畴壁仅需一个很小的外磁场就可以被移动,这个特性使得自旋波的操控更加方便。目前实验上对自旋波进行探测应用比较多的就是布里渊光散射技术（BLS）,但是这项技术也存在着一些缺陷,BLS基于精密的光学仪器,成本较高且占地面积很大,无法在磁畴壁外面探测磁畴壁里面自旋波的信息。而本文主要针对在磁畴壁中传播的自旋波,提出了一种对其频率和波矢进行探测的新方法。本文所要讲述的工作主要总的来说包含了下面的两个方向:一是通过理论计算自旋波之间three-magnon的非线性效应;二是通过微磁学模拟对我们提出的理论方案进行仿真与验证。论文首先给出了一个Ne?el型磁畴壁的基本模型,并对磁畴壁的Walker解以及自旋波在磁畴和磁畴壁中的色散关系进行了计算。接下来,我们利用能量守恒和动量守恒重点分析了three-magnon的非线性过程,分别得到汇合过程和劈裂过程的理论公式,如果我们令（ωi,ki）表示入射自旋波,（ωb,kb）表示磁畴壁中的自旋波,那么汇合过程所满足的频率和波矢关系为?=?i+?b和k=ki+kb;劈裂过程中散射出来的自旋波频率满足?=?i-?b,波矢则满足k=（|ki|2-2|kb|2）1/2e⊥-kb,其中e⊥表示垂直磁畴壁的方向。论文的第二部分主要是利用微磁学模拟软件Mumax3进行数值仿真验证。我们首先对自旋波的色散关系进行验证,并给出了两个特定频率下自旋波在薄膜中的传播情况,进一步确定了色散关系的正确性。接下来,我们利用Matlab得到了自旋波的频谱和空间波矢的分布图,验证了three-magnon理论的正确性。最后,我们讨论了激发自旋波的微波磁场的幅度与three-magnon强度的关系,并通过对比这两个微波磁场的功率,进一步说明了用磁畴壁作为波导的低能耗特性。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 自旋波激发
•     1.2.2 对自旋波的操控
•     1.2.3 基于磁畴壁的自旋波波导
•     1.2.4 布里渊光散射技术
•   1.3 面临的挑战及未来的发展方向
•   1.4 本论文的结构安排
• 第二章 微磁学基础与微磁学模拟
•   2.1 磁性材料
•   2.2 微磁学中的基本能量
•     2.2.1 交换作用能
•     2.2.2 Zeeman能
•     2.2.3 磁晶各向异性能
•     2.2.4 退磁能
•   2.3 磁化动力学
•     2.3.1 有效场的求解
•     2.3.2 磁矩的进动方程
•     2.3.3 一致进动
•     2.3.4 非一致进动
•   2.4 磁畴与磁畴壁
•   2.5 微磁学模拟
•     2.5.1 模拟原理及方法
•     2.5.2 OOMMF简介
•     2.5.3 Mumax3 简介
•   2.6 本章小结
• 第三章 自旋波束缚态的探测原理
•   3.1 模型建立
•   3.2 磁畴壁静态解的计算
•   3.3 自旋波传播态与束缚态的计算
•   3.4 Three-magnon过程的计算
•     3.4.1 汇合过程
•     3.4.2 劈裂过程
•   3.5 本章小结
• 第四章 对磁畴壁中自旋波束缚态探测的数值模拟
•   4.1 自旋波的色散关系图像
•   4.2 Three-magnon理论的验证
•     4.2.1 汇合过程的验证
•     4.2.2 劈裂过程的验证
•     4.2.3 束缚态频率的改变对结果的影响
•     4.2.4 外场强度对three-magnon过程的影响
•   4.3 激发自旋波的微波磁场功率的计算
•   4.4 磁畴壁移动对结果的影响
•   4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间取得的成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张北宁

导师: 严鹏

关键词: 自旋波,磁畴壁,非线性效应

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 电子科技大学

分类号: O441.2

总页数: 76

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