通过微磁学新型模型来产生磁性斯格明子

论文摘要

斯格明子是拥有拓扑保护的准粒子,它可以由四种磁性相互作用之一导致:（i）Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）;（ii）磁性偶极相互作用;（iii）阻挫相互作用;（iv）四自旋相互作用。多种相互作用经常同时出现。斯格明子尺寸小、稳定性高及退订扎电流强度小的特点引起了广泛关注。这些特性来自斯格明子的特殊拓扑属性,它可以作为比特存储和处理计算机里面的信息,因此有望在未来自旋电子器件中获得应用。比如,一个斯格明子可作为比特“1”,反之无斯格明子的区域可作为比特“0”。但是,斯格明子走上应用仍然存在很多问题,如斯格明子密度、移动速度、产生时间、操作温度以及制备材料的范围都需要改善。本论文的主要目的是通过数值模拟来研究产生斯格明子的新手段,并关注其室温可用性。为此,我们提出以下两个模型:1)我们提出使用铁磁/反铁磁双层膜结构产生斯格明子,其中,只有反铁磁层具有体DMI,而铁磁层是软磁材料。铁磁层的居里温度以及反铁磁层的奈尔温度均高于室温。微磁学模拟表明,在这个体系里DMI能和退磁能之间的竞争能自发地产生斯格明子,条件是反铁磁层和铁磁层之间的交换相互作用超过一定的临界值（Ai=6.5 mJ/m2）,在临界界面交换以上,两种能量可以充分竞争。当增强外场时,斯格明子数量增加,直到外场过大导致斯格明子被磁化。两个斯格明子之间的距离可小至45纳米。2)针对具有中心对称材料Fe3Sn2（居里温度为640 K）,本工作在赛道模型中引入宽度方向的厚度梯度,数值模拟计算表明,可以通过外场操控非拓扑磁泡转换成固定手性的斯格明子磁泡。通过分析磁矩分布与时间的关系,发现这种转变由外场驱动布洛赫线的定向移动至融合导致。具体而言,可以通过以下步骤控制斯格明子的手性:（i）在厚度方向施加外场并朝长度方向上倾斜8°以产生非拓扑磁泡;（ii）将外场朝相反方向倾斜并与平面法线成3°偏角驱动布洛赫线移动至融合。将以上的外场倾转方式反向,将得到具有相反手性的斯格明子磁泡。本工作的具体意义在于:（i）由于反铁磁材料没有宏观磁性,较少出现于斯格明子研究中,我们提出的铁磁/反铁磁模型有望使广大具有DMI的反铁磁材料在斯格明子器件中得到应用;（ii）考虑到DMI的产生受限于晶体结构的对称性,在无DMI材料中成功操控磁泡的手性可以极大拓展斯格明子器件的选材范围。这些结果将有助于未来斯格明子器件的实验开发。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• Chapter1 Introduction
•   1.1 Magnetic bubbles
•     1.1.1 The rise and fall of bubble memory
•     1.1.2 Generation and stabilization of magnetic bubbles
•     1.1.3 Propagation of magnetic bubbles and skyrmions in a racetrack
•     1.1.4 Replication and annihilation of magnetic bubbles and skyrmions
•   1.2 The Dzyaloshinskii-Morya interaction
•     1.2.1 Definition and contributions of Dzyaloshinkii and Morya
•     1.2.2 Generation of skyrmions stabilized by DMI
•   1.3 Topology
•     1.3.1 History and definition of topology
•     1.3.2 The topological number
• Chapter2 Micromagnetics
•   2.1 Presentation of OOMMF
•   2.2 A sample OOMMF program
• Chapter3 Skyrmion formation in an achiral ferromagnetic/chiral antiferromagnetic bilayer
•   3.1 Model and parameters
•   3.2 Results& discussion
•     3.2.1 Independent behavior of the FM and AFM films
•     3.2.2 Influence of the interfacial exchange constant
•     3.2.3 Skyrmion formation under zero field
•     3.2.4 The energy competition at the origin of skyrmion formation
•     3.2.5 Influence of the external magnetic field
•     3.2.6 The linear equation binding skyrmion formation,MS and DMI
•   3.3 Conclusion
• Chapter4 From non-topological magnetic bubbles to skyrmion bubbles with controllable chirality
•   4.1 Model and parameters
•   4.2 Results and Discussions
•     4.2.1 Generation of non-topological magnetic bubbles
•     4.2.2 The mechanism behind the motion of Bloch lines
•     4.2.3 Motion of Bloch lines in a cuboid system
•     4.2.4 Skyrmion bubble formation in a system with thickness gradient
•     4.2.5 The energy competition controlling the speed of formation of skyrmion bubbles
•     4.2.6 Investigation of the influence induced by the magnetic moments thickness component
•     4.2.7 Formation of an array of skyrmion bubbles with controlled chirality
•   4.3 Conclusion
• Chapter5 Conclusion and perspectives
• References
• Appendix
•   1.The OOMMF program used for the formation of magnetic skyrmions in an achiral ferromagnetic/chiral antiferromagnetic bilayer
•   2.The three OOMMF programs used for the control of the skyrmion bubble chirality
•   3.Python3.7 program for the topological charge calculation
•   4.Python3.7 program for the calculations related to Bloch lines
• Acknowledgement
• Resume and academic results
•   1.Personal resume
•   2.Awards
•   3.Academic results

文章来源

类型: 博士论文

作者: Fran?ois Jacques Morvan

导师: 刘平,赵国平

关键词: 磁斯格明子,磁泡,相互作用,拓扑荷

来源: 中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)

分类号: O482.5

DOI: 10.27884/d.cnki.gknbs.2019.000030

总页数: 146

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