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摘要:利用微磁模擬的方法研究了納米接觸點(diǎn)的位置和大小對(duì)坡莫納米盤(pán)中磁渦旋核極性反轉(zhuǎn)的影響．著重研究了納米接觸點(diǎn)的位置和大小對(duì)磁渦旋核反轉(zhuǎn)的臨界電流密度和反轉(zhuǎn)時(shí)間的影響．微磁模擬結(jié)果表明，納米接觸點(diǎn)的大小對(duì)磁渦旋核反轉(zhuǎn)的臨界電流密度產(chǎn)生很大影響，而納米接觸點(diǎn)的位置對(duì)磁渦旋核的反轉(zhuǎn)時(shí)間影響很大．

關(guān)鍵詞:磁渦旋;極化電流;極性反轉(zhuǎn);微磁模擬

引言

納米盤(pán)中的磁渦旋在磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器中有廣泛的應(yīng)用，因此對(duì)納米盤(pán)中磁渦旋的動(dòng)力學(xué)研究越來(lái)越受到廣泛的關(guān)注．極化電流激發(fā)磁渦旋動(dòng)力學(xué)的行為因?yàn)槠湟资┘雍凸?jié)能的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用．極化電流激發(fā)磁渦旋動(dòng)力學(xué)有3種方式，分別為納米點(diǎn)接觸、納米柱接觸以及磁性隧道結(jié)［1-7］．納米柱接觸多用于研究磁渦旋的旋轉(zhuǎn)回歸運(yùn)動(dòng)［1-2，8］，而納米點(diǎn)接觸激發(fā)磁渦旋的動(dòng)力學(xué)研究主要集中在納米接觸點(diǎn)被設(shè)置在納米盤(pán)中心的模型上，在這樣的結(jié)構(gòu)中由于納米接觸點(diǎn)產(chǎn)生的奧斯特場(chǎng)使得系統(tǒng)總的有效勢(shì)能是圓周對(duì)稱的，所以磁渦旋很難被激發(fā)，一般采取的方法是首先在納米盤(pán)上施加一平面內(nèi)磁場(chǎng)使渦旋核偏離盤(pán)的中心，再施加極化電流研究磁渦旋的動(dòng)力學(xué)行為［9］．事實(shí)上，已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)研究證明納米接觸點(diǎn)可以被設(shè)置在納米盤(pán)的任何位置［10-11］，而理論研究也證明了納米接觸點(diǎn)如果被設(shè)置在偏離納米盤(pán)的中心，就會(huì)打破納米盤(pán)總的有效勢(shì)能的圓周對(duì)稱性，進(jìn)而使磁渦旋能夠在更低的電流密度下以更快的時(shí)間完成反轉(zhuǎn)［12］．研究證明納米接觸點(diǎn)的尺寸和位置對(duì)磁渦旋的動(dòng)力學(xué)行為會(huì)產(chǎn)生一定的影響，但是并沒(méi)有關(guān)于納米接觸點(diǎn)的位置和尺寸大小對(duì)磁渦旋核極性反轉(zhuǎn)影響的報(bào)道．所以，本文研究了兩個(gè)納米點(diǎn)接觸下磁渦旋核極性的反轉(zhuǎn)行為，其中一個(gè)納米接觸點(diǎn)被設(shè)置在納米盤(pán)的中心，另一個(gè)相同尺寸的接觸點(diǎn)被放置在納米盤(pán)的不同位置．本文得到的結(jié)論對(duì)磁渦旋核在存儲(chǔ)器方面的應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值．

1模型和方法

如圖1，采用了一個(gè)直徑為400nm，厚度為10nm的坡莫納米盤(pán)作為模型進(jìn)行微磁學(xué)模擬．該尺寸下磁渦旋的初始構(gòu)型為(p，c)=(1，1)．微磁學(xué)模擬采用OOMMF軟件進(jìn)行［13］．極化電流通過(guò)納米點(diǎn)接觸通入納米盤(pán)，納米點(diǎn)接觸的直徑變化范圍為60～100nm．一個(gè)納米接觸點(diǎn)位于盤(pán)的中心，另一個(gè)接觸點(diǎn)位于x軸上，兩個(gè)點(diǎn)接觸的中心與中心的距離d分別為100、125和150nm．設(shè)置電流的通向均為z軸正向．模擬中磁晶各項(xiàng)異性能被忽略，模擬磁單元大小為2．5nm×2．5nm×10nm．其他參數(shù)如下:飽和磁化強(qiáng)度Ms=8．6×105A/m，交換積分常數(shù)A=1．3×10－11J/m，電流極化度P=0．4，阻尼系數(shù)α=0．05．

2結(jié)果和討論

首先研究了磁渦旋核反轉(zhuǎn)的臨界電流密度jc和反轉(zhuǎn)時(shí)間與納米接觸點(diǎn)的位置和大小的關(guān)系．圖2(A)顯示了兩個(gè)納米接觸點(diǎn)的距離d在100～150nm之間時(shí)不同尺寸納米接觸點(diǎn)下磁渦旋核反轉(zhuǎn)的臨界電流密度．當(dāng)納米接觸點(diǎn)的半徑Rc=50nm時(shí)jc的值為6×1011A/m2，當(dāng)接觸點(diǎn)的半徑減小到Rc=30nm時(shí)，jc的值增加到15×1011A/m2，由此可見(jiàn)納米接觸點(diǎn)尺寸的大小對(duì)磁渦旋核極性反轉(zhuǎn)的臨界電流密度產(chǎn)生很大影響．同時(shí)我們也注意到，當(dāng)Rc不變時(shí)，納米接觸點(diǎn)間的距離d對(duì)jc的影響較小，即不同位置時(shí)jc值的變化很小．圖2(B)是各臨界電流密度下磁渦旋核反轉(zhuǎn)的時(shí)間，可以看出當(dāng)d=100nm時(shí)，反轉(zhuǎn)時(shí)間的差異是最小的．隨著d的增加反轉(zhuǎn)時(shí)間的差異越來(lái)越大．當(dāng)然當(dāng)納米接觸點(diǎn)的半徑最大時(shí)其反轉(zhuǎn)時(shí)間是最小的．這是因?yàn)楫?dāng)電流大時(shí)，產(chǎn)生的自旋轉(zhuǎn)移扭矩以及奧斯特場(chǎng)都是大的，這兩個(gè)因素的共同作用使得磁渦旋核完成反轉(zhuǎn)．微磁模擬計(jì)算的過(guò)程顯示，在這樣的極化電流激發(fā)下，磁渦旋核是通過(guò)磁渦旋的形核和湮滅機(jī)制完成反轉(zhuǎn)的．這個(gè)機(jī)制的反轉(zhuǎn)要求是磁渦旋核的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到320～370m/s［14-16］．圖3顯示了Rc=40nm時(shí)兩個(gè)不同納米接觸點(diǎn)位置下磁渦旋核的運(yùn)動(dòng)速度隨模擬時(shí)間的變化關(guān)系．從圖3可以觀察到當(dāng)磁渦旋核的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到350m/s時(shí)，磁渦旋核的極性就會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)，核反轉(zhuǎn)后其速度迅速減小回到納米盤(pán)的平衡位置．對(duì)比圖3(A)和(B)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)d=150nm時(shí)，磁渦旋核需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到其反轉(zhuǎn)的臨界速度值，所以在該距離下，磁渦旋核的反轉(zhuǎn)時(shí)間也是最長(zhǎng)的，這一點(diǎn)從圖2(B)中也可以找到答案．研究表明磁渦旋核在盤(pán)上的運(yùn)動(dòng)方向只與核的極性有關(guān)，核的運(yùn)動(dòng)方向與核的極性滿足右手螺旋定則，即當(dāng)磁渦旋核的極性向上時(shí)，它在盤(pán)上是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)．反之則是順時(shí)針運(yùn)動(dòng)．圖4總結(jié)了兩種距離下磁渦旋核反轉(zhuǎn)前后的運(yùn)動(dòng)軌跡．空心圓代表磁渦旋核反轉(zhuǎn)前的軌跡，實(shí)心圓代表反轉(zhuǎn)后的軌跡．圖4很清晰的表示出了磁渦旋核反轉(zhuǎn)前后的運(yùn)動(dòng)方向和磁渦旋核的運(yùn)動(dòng)半徑．還有一個(gè)值得關(guān)注的細(xì)節(jié)就是，磁渦旋核反轉(zhuǎn)后并沒(méi)有回到納米盤(pán)的中心，這是因?yàn)楫?dāng)極化電流通過(guò)兩個(gè)納米接觸點(diǎn)通入納米盤(pán)時(shí)，系統(tǒng)總的有效勢(shì)能不再是圓周對(duì)稱的，有效勢(shì)能的最低點(diǎn)即平衡位置也偏離了盤(pán)的中心．接下來(lái)，用圖5表示出了磁渦旋核的反轉(zhuǎn)過(guò)程，因?yàn)閷?duì)于磁渦旋核極性反轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)而言，其反轉(zhuǎn)過(guò)程是非常重要的．圖5(A)為磁渦旋的初始狀態(tài)，即是磁渦旋核沒(méi)通電流時(shí)的狀態(tài)，黑色箭頭代表平面內(nèi)磁矩的方向．紅色區(qū)域表示磁渦旋核，紅色表示此時(shí)磁渦旋核的極性方向沿z軸正方向．圖5(B)是通電流7．2ns后磁渦旋核的旋轉(zhuǎn)回歸運(yùn)動(dòng)，從電流開(kāi)始通入納米盤(pán)到圖5(B)的這個(gè)階段磁渦旋核的運(yùn)動(dòng)速度越來(lái)越大，形成一個(gè)磁渦旋與反磁渦旋對(duì)兒．直到圖5(C)當(dāng)磁渦旋核運(yùn)動(dòng)到9．5ns時(shí)，其運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了350m/s，就在這個(gè)時(shí)刻發(fā)生了磁渦旋核與反磁渦旋核的湮滅，同時(shí)釋放出大量的自旋波．在完成磁渦旋與反磁渦旋對(duì)兒湮滅的同時(shí)，磁渦旋核的極性也就完成了反轉(zhuǎn)，可以從圖5(D)觀察到此時(shí)的磁渦旋核已經(jīng)是藍(lán)色的，磁渦旋核的極性方向沿z軸負(fù)方向了，磁渦旋核完成了極性反轉(zhuǎn)．但是，此時(shí)磁渦旋核還沒(méi)有回到納米盤(pán)的平衡位置，它的速度會(huì)迅速降低以和原來(lái)相反的旋轉(zhuǎn)方向回到納米盤(pán)的平衡位置．圖5(E)就是最終反轉(zhuǎn)后的磁渦旋核所在的位置．

3結(jié)論

運(yùn)用微磁模擬的方法研究了兩個(gè)納米接觸點(diǎn)激發(fā)的磁渦旋核極性反轉(zhuǎn)的行為．微磁模擬過(guò)程顯示磁渦旋在兩個(gè)極化電流激發(fā)下是通過(guò)磁渦旋的形核和湮滅機(jī)制完成反轉(zhuǎn)的，磁渦旋核反轉(zhuǎn)的臨界速度為350m/s．模擬結(jié)果顯示納米接觸點(diǎn)的大小對(duì)磁渦旋核反轉(zhuǎn)的臨界電流密度影響很大，而納米接觸點(diǎn)的位置則對(duì)磁渦旋核的反轉(zhuǎn)時(shí)間產(chǎn)生較大影響．

作者：李化南 何雨昕 胡月 單位：吉林師范大學(xué)