超薄磁性薄膜中畴壁动力学的数值模拟研究

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过去的十几年,人们发现畴壁的运动与诸多重要的物理现象相关,其中铁磁和铁电材料中畴壁运动现象一直是研究的热点。在不同类型的驱动外场下,畴壁运动复杂多变,呈现出丰富的相变现象。这是一个十分重要的研究课题:从实用角度看,它是开发新一代立体大容量计算机存储器和逻辑运算设备的关键;从理论角度看,它也有助于加深对弱无序系统非平衡态动力学的理解。当然,畴壁运动现象非常复杂,在本篇博士论文中,我们将探讨其中一类相对简单的问题,即超薄磁性薄膜的畴壁动力学。过去人们往往使用唯象的弹性弦模型,由于未考虑微观相互作用,其结果和实验存在一定差距,并且模型本身也存在不自洽性。因此在本篇博士论文中,我们试图构建一套包含相互作用的微观格点模型,克服弹性弦模型的缺陷,研究超薄磁性薄膜中畴壁运动的相变现象。应用远离平衡态动力学以及相关方法,我们发现微观格点模型和弹性弦模型属于不同的普适类,并揭示了造成两者差别的原因,同时还解释了新的实验现象。第三、四章是本篇博士论文的重点。第一章,我们简单介绍磁性畴壁的定义、畴壁运动现象以及研究畴壁运动的重要性。磁性畴壁的运动非常复杂,呈现出丰富的相变现象,例如有序-无序相变、钉扎相变、弛豫-蠕动相变等。其中超薄磁性薄膜的畴壁动力学是我们的主要研究对象,而远离平衡态的短时动力学方法则是我们的主要研究方法。此外,我们还介绍本次工作的研究动机和内容:用一系列微观格点模型(例如伊辛模型和随机场伊辛模型)代替常用的弹性弦模型(例如QEW方程)研究超薄磁性薄膜的畴壁动力学。通过远离平衡态动力学方法,我们系统地分析畴壁运动的各种相变现象,并和实验结果相比较。第二章,我们系统地研究有序-无序相变时畴壁界面的动力学问题,并和表面生长过程相比较。由于没有驱动外场,畴壁平均位置不变,但是畴壁界面变得越来越粗糙。通过引入空间标度x,我们系统地分析畴壁在相变时的动力学标度行为,并测量得到新的临界指数值β0/v,d0,dw,描述畴壁界面生长和粗糙化过程中的动力学特征,和表面生长过程不同。通过分析各种不同情况下(例如不同的空间维度、模型、相变类型、畴壁结构、动力学类型等)有序-无序相变的畴壁动力学,我们发现畴壁普适的运动规律,符合我们的解析计算结果。第三章,应用带弱无序相互作用的微观格点模型,我们系统地研究畴壁运动的钉扎相变现象。不同于传统观点,我们发现微观格点模型和弹性弦模型属于不同的普适类,并研究了造成两者差别的原因。以恒定外场驱动下的二维随机场伊辛模型为例,应用短时动力学方法,我们不但精确地定出相变点、获得各物理量的动力学标度行为,还测量得到各种临界指数值。它们普遍与QEW方程的有着10%~30%的差别,表明微观格点模型和弹性弦模型确实属于不同的普适类,而造成两者差别的原因是钉扎相变时出现的悬突和小岛等微观构形。通过系统地分析钉扎相变的悬突动力学,我们发现悬突等微观构形的动力学效应是钉扎相变的相关参量,而它们的生长机制却和畴壁运动完全不同。第四章,通过构建含时的微观格点模型,我们解释了新的实验现象,应用数值模拟的方法得到了实验中弛豫-蠕动相变的Cole-Cole图。通过测量不同温度和交变外场频率下的复数磁化率,我们系统地研究了交变外场下畴壁运动的弛豫态和蠕动态行为,对应着Cole-Cole图中的半圆形曲线和直线。此外,我们还测得临界指数值β,反映由温度热效应导致的畴壁蠕动行为的特征。我们发现畴壁运动中存在两个特征频率f1,f2,将整个频率空间分为三个区间,对应着畴壁运动的弛豫态、蠕动态和中间态。有趣的是,f1,f2还分别是振幅A(f,T)和相位延迟δ(f,T)行为的转折点,暗示着畴壁的弛豫-蠕动相变和二维熔化一样,是二阶段相变。
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