Dzyaloshinskii-Moriya作用下自旋波透镜离轴聚焦的理论研究

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本文从理论上研究了 Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用对自旋波透镜聚焦的影响。首先设计了由两个磁性薄膜之间的半圆形界面构成的自旋波透镜,通过调节界面两边的各项异性和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)常数使自旋波聚焦效果明显。然后通过分析得出弯曲界面上的广义斯涅尔定律和离轴聚焦的焦点位置。最后将微磁模拟结果与理论预测值进行比较,分析出自旋波频率、DMI常数和外部磁场对自旋波在弯曲界面上传播的影响。我们的发现将有助于操纵手性磁体中的自旋波,并设计功能性的磁控器件。首先,本文研究了自旋波频率和外部电场对自旋波聚焦的影响。发现了当自旋波从区域一入射到区域二,后者DMI常数D2为0时,自旋波会在区域二中发生聚焦,且焦点的横坐标xf会随自旋波频率的增加而增大,焦点的纵坐标yf恒为零的规律,证实了在非手性磁性介质中焦点应位于透镜轴(y=0)上的理论。本文还探究了当区域二中存在DMI(D2=3 mJ/m2)的情况下,自旋波频率对焦点的影响,发现了xf和yf都随着自旋波频率的增加而增大,从而证实了自旋波的离轴聚焦效应。此外,本文还发现了外部磁场也是操纵自旋波透镜聚焦的有效旋钮。当D2=3 mJ/m2且ω/2π=74 GHz时,我们发现横向位移xf受到磁场很强的抑制作用,而纵向位移yf对它的敏感度较低。其次,本文探究了 DMI常数对自旋波聚焦的影响。结果表明在设定自旋波频率为ω/2π=60 GHz时,焦点坐标对DMI常数具有依赖性:xf随着|D2|的增加而减小,而yf随|D2|的增加而增加。并且我们还发现D2的符号变化对xf没有影响,但会使yf的符号发生反转。同时用解析公式说明了磁化方向对自旋波的影响。证明了当磁化方向沿着y轴或z轴方向时,焦点会落在主轴上,即不会存在离轴聚焦的效果。最后,对于纵向位移yf,微磁模拟与解析公式非常吻合,但对于横向位移xf,微磁模拟与解析公式没有十分吻合这一现象做了分析讨论。对于xf的差异是由于:首先,解析模型采用近轴近似,而微磁模拟中自旋波的入射角分布较广(-90°<θ0<90°)。其次,在我们的理论中假设了磁矩是饱和磁化的,但是无法避免在DMI界面上发生自旋倾斜,这会改变自旋波的传播并影响焦点。最后,焦点的坐标是通过对自旋波强度加权平均的方式获得,这可能会导致较大的误差。
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