界面Dzyaloshinskii–Moriya作用及其边界效应对磁动力学的影响

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基于重金属/铁磁复合薄膜的新型自旋电子器件具备小尺寸、高处理速度、低功耗等优点,是“超越摩尔”时代信息器件的重要组成部分。由于铁磁薄膜上下表面的非对称结构,在重金属/铁磁界面处会产生一种各向异性交换作用,即界面Dzyaloshinskii–Moriya(DM)作用。此DM作用导致铁磁层中形成具有特殊手性的磁畴壁以及Skyrmion等拓扑非平庸的磁结构。同时,界面DM作用也会对铁磁共振(FMR),自旋波,以及上述畴壁和Skyrmion运动产生重要影响。上述磁动力学行为是新型磁信息器件各种功能的物理基础,因而近些年基于界面DM作用的磁动力学研究受到广泛关注。然而,材料内部及材料边界的DM作用对磁动力学的影响同时存在,通常难以有效区分。目前,实验上很难同时在很小的空间尺度和很短的时间范围内精确表征DM作用对磁动力学的精细影响。而微磁学计算可模拟上述时空尺度内的磁动力学行为,为实验工作提供有价值的参考。有鉴于此,本人博士期间针对界面DM作用对自旋波、铁磁共振以及磁畴壁运动等典型磁动力学行为的影响开展了系统的微磁学计算研究,重点为区分材料内部和边界DM作用对磁动力学的影响,具体研究内容涵盖以下四方面:(1)内部DM作用对自旋波衍射的影响。在计算中设置一定宽度的高阻尼边界吸收层,从而有效去除DM边界效应对自旋波衍射的干扰。研究结果表明,当入射波为Damon-Eschbach(DE)波时,衍射图案关于狭缝中心对称,DM作用改变入射波波长,进而改变衍射角。而当入射波为背向体波时,衍射图案不再对称,最强衍射束偏离狭缝中心,在40 GHz以上的高频段,自旋波偏转角度正弦值与DM作用常数成正比。理论计算与仿真结果一致,并且基本不受磁偶极相互作用的影响,为测量DM作用提供了新思路。(2)边界DM作用对铁磁共振(FMR)的影响。研究直径小于50纳米的垂直磁化薄膜中界面DM作用对FMR的影响。与面内磁化薄膜不同,该小尺寸垂直磁化薄膜中不存在涡旋磁结构及静磁共振模式的干扰,因而DM作用对FMR的影响主要来自边界。研究结果表明,DM作用会诱导新的振荡模式:逆时针旋转模式。并且该模式特征频率受DM作用常数和材料尺寸的调制,因而也为DM作用常数的测试提供了新的方案。(3)界面DM作用下手性畴壁的运动。我们探讨了界面DM作用边界效应对宽度小于500纳米长条中畴壁运动的影响,得到以下结果:(i).自旋轨道矩(SOT)驱动下的畴壁倾斜源于DM边界效应引起的长条上下边界畴壁磁矩的反对称结构,这种反对称结构导致上下边界局域磁矩在SOT驱动下翻转速度不同,因而引起上下边界局域畴壁运动速度的差别。另外,畴壁倾斜角度达到稳定所需弛豫时间随长条宽度变化呈现复杂的三次函数关系。其拐点对应临界宽度,在临界宽度上下,畴壁倾斜过程的微观行为明显不同。(ii).在交变磁场作用下,DM作用边界效应会导致畴壁出现柔性运动模式,即:在运动过程中伴随畴壁的周期性形变。基于刚性模型的广义坐标法无法预测这种振荡模式。(iii).针对畴壁可变外形,基于变分法研究了外加直流磁场下畴壁的最终稳定形态,证明了畴壁在外加横向直流磁场作用下达到稳定时必为一倾斜直线,给出了畴壁倾斜角随磁场变化的解析解,并推广到各向异性Dzyaloshinskii畴壁。(4)为解决上述DM作用边界效应导致的畴壁倾斜,研究了基于层间铁磁耦合和层间反铁磁耦合两种方法抑制畴壁倾斜。(i).通过层间铁磁耦合各向异性DM和各向同性DM畴壁,实现对畴壁倾斜的抑制,从而提高SOT作用下畴壁运动速度并减小近邻畴壁最小间隔。(ii).通过层间反铁磁耦合抑制畴壁倾斜,在电场诱导的梯度各向异性场作用下,畴壁对可高速运动,并且沃克崩溃也得到显著抑制。
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