李化南,岳照聰,李泰銳,王思元,閆東旭

(吉林師范大學 物理學院,吉林 四平 136000)

0 引言

磁渦旋態(tài)是軟磁材料中的一種穩(wěn)定構(gòu)型,由面內(nèi)磁矩和中心磁渦旋核組成,通常在幾十納米到幾微米的鐵磁納米盤中可觀察到[1].納米圓盤中的磁渦旋因在非易失性磁性隨機存儲器、超高密度記錄材料以及納米微波振蕩器等方面的應(yīng)用而受到廣泛關(guān)注[2-5].減小磁渦旋核的臨界反轉(zhuǎn)電流密度以及降低其反轉(zhuǎn)時間是磁渦旋核能夠應(yīng)用在磁性隨機存儲器上的關(guān)鍵技術(shù),磁渦旋在納米微波振蕩器方面的應(yīng)用優(yōu)勢在于其較高的頻率和較窄的線寬[6-8],因此人們一直致力于這些方面的研究.極化電流通入納米盤激發(fā)磁渦旋通常有納米點接觸和納米柱接觸兩種方式,納米點接觸一般用來研究磁渦旋核的反轉(zhuǎn)而納米柱接觸則主要用于研究磁渦旋的旋轉(zhuǎn)運動[9-11].僅是通過增大納米點接觸的半徑來減小反轉(zhuǎn)的臨界電流密度風險是比較大的,因為這樣會大大增大焦耳熱,導致磁渦旋核不穩(wěn)定.因此,一般首先在盤內(nèi)通入一個面內(nèi)磁場,驅(qū)動磁渦旋核偏離盤中心,再通過點接觸通入極化電流來激發(fā)磁渦旋,但是這樣的方法在實際操作過程中很麻煩.根據(jù)一些實驗方面的文獻報道,納米接觸點可以被設(shè)置在盤的任意位置[12-13],因此在以前的研究工作中嘗試把納米接觸點設(shè)置在偏離盤中心的位置,結(jié)果發(fā)現(xiàn)這樣大大降低了磁渦旋核反轉(zhuǎn)的臨界電流密度[14-15].

然而目前還沒有對納米盤中通入不同尺寸的納米接觸點激發(fā)磁渦旋,研究不同尺寸的納米接觸點在不同位置對磁渦旋核極性反轉(zhuǎn)影響方面的研究,本文致力于研究在有限尺寸的坡莫納米盤中通入不同尺寸的納米接觸點,研究接觸點的個數(shù)、尺寸以及位置對磁渦旋核反轉(zhuǎn)的臨界電流密度、反轉(zhuǎn)時間和反轉(zhuǎn)速度的影響.

1 模型和參數(shù)

本文采用微磁模擬軟件OOMMF對有限尺寸坡莫納米盤中磁渦旋的反轉(zhuǎn)行為進行研究.該模擬軟件是對包含了自旋轉(zhuǎn)移扭矩的Laudau-Liftshitz-Gilbert方程進行計算,自旋轉(zhuǎn)移扭矩的方程為TSTT=γβm(m×mp),其中β=(h/2π)PJ/(2μ0eMsL),mp是極化方向的單位矢量,γ是旋磁比,h是普朗克常量,P是極化度.圖1為本次模擬計算的模型,在直徑400 nm,厚度10 nm的坡莫納米盤上,通過半徑為20 nm和50 nm的納米接觸點、以點接觸的方式通入垂直極化電流激發(fā)納米盤中的磁渦旋.磁渦旋的初始狀態(tài)為手征性為逆時針,用白色箭頭表示,磁渦旋核朝上用紅色錐體表示.模擬中的參數(shù):飽和磁化強度Ms=8.6×105A/m,交換常數(shù)A=1.3×10-11J/m,阻尼常數(shù)為0.05,晶胞尺寸2.5×2.5×10 nm3.另外,計算也考慮了電流產(chǎn)生的磁場效應(yīng),電流產(chǎn)生的磁場用畢奧-薩伐爾定律進行了計算.

圖1 模型示意圖Fig.1 Schematic illustration of the model system

2 結(jié)果和討論

2.1 單個納米接觸點在不同位置對磁渦旋核極性反轉(zhuǎn)的控制

首先以納米接觸點是否在盤中心為變量,設(shè)置對照組,研究單個納米接觸點通入極化電流對磁渦旋核極性反轉(zhuǎn)的控制.模擬計算分為兩組:第一組設(shè)置納米接觸點坐標為(0,0),即納米接觸點在盤中心;第二組設(shè)置納米接觸點坐標為(50 nm,0),即納米接觸點不在盤中心.兩組的納米接觸點半徑均為50 nm.

表1列出了兩組模擬計算的反轉(zhuǎn)時間,表中N表示磁渦旋沒有被激發(fā),沒有發(fā)生磁渦旋核的旋轉(zhuǎn)回歸運動.第一組僅在電流密度為16×1011A/m2時才會反轉(zhuǎn),但第二組在電流密度達到12×1011A/m2時就可以發(fā)生反轉(zhuǎn),且電流密度都為16×1011A/m2時,第二組反轉(zhuǎn)所用時間要遠小于第一組.從表1可以看出,納米接觸點如果被設(shè)置在偏離盤中心的位置,不僅會減小磁渦旋核的臨界反轉(zhuǎn)電流密度,也會降低其反轉(zhuǎn)時間.

表1 位置不同的接觸點在電流密度為12×1011～16×1011 A/m2時的反轉(zhuǎn)時間

2.2 兩個不同尺寸的納米接觸點在不同位置對磁渦旋核反轉(zhuǎn)的控制

從表1中可以得到這樣的結(jié)論:即納米接觸點如果被設(shè)置在偏離盤中心位置是有利于激發(fā)磁渦旋的,那么接下來要討論納米接觸點的個數(shù)對磁渦旋核極性反轉(zhuǎn)的影響.首先把半徑為50 nm的接觸點P1設(shè)置在(50 nm,0)位置,為了節(jié)約能源,第二個接觸點半徑選擇20 nm.P2被設(shè)置在x軸上,具體坐標可見圖2.

圖2 P1坐標固定為(50 nm,0)、P2位置變化時,磁渦旋核的反轉(zhuǎn)時間(A)和磁渦旋核的反轉(zhuǎn)速度(B)

從圖2(A)中可以看出,適當設(shè)置第二個接觸點P2的位置也可以減小臨界反轉(zhuǎn)電流密度,把P2設(shè)置在(-50 nm,0),磁渦旋核反轉(zhuǎn)的臨界電流密度由12×1011A/m2減小到10×1011A/m2.在圖中還可以觀察到磁渦旋核反轉(zhuǎn)時間隨著電流密度的增加而減小.同時也觀察到當電流密度一定時,P2離P1越遠其反轉(zhuǎn)時間越長.圖2(B)顯示的是P2在不同位置時,磁渦旋核反轉(zhuǎn)速度的變化.隨著極化電流的通入,磁渦旋核的運動速度隨著時間的增加而增大,當其速度達到一定值時磁渦旋核發(fā)生反轉(zhuǎn),反轉(zhuǎn)后其速度快速下降回到納米盤中央.值得注意的是,不管納米接觸點在什么位置,磁渦旋核反轉(zhuǎn)速度幾乎是不變的,都要達到342 m/s才能夠發(fā)生反轉(zhuǎn),從該圖也可以看出,納米接觸點的位置和數(shù)量并不能改變磁渦旋的反轉(zhuǎn)速度.

接下來研究將P2位置固定、改變P1的位置,探究納米接觸點半徑大的接觸點位置改變對磁渦旋核反轉(zhuǎn)的控制.對比圖2(A)和圖3(A)可以看出,改變納米接觸點半徑大的對磁渦旋核反轉(zhuǎn)的反轉(zhuǎn)時間和臨界反轉(zhuǎn)電流密度影響都很大.首先可以看出,當P1離盤中心比較近時,例如P1的坐標為(0,0)和(50 nm,0)時,磁渦旋核反轉(zhuǎn)的臨界電路密度比較大,當J達到12×1011A/m2才發(fā)生反轉(zhuǎn).當P1被設(shè)置在(100 nm,0)和(150 nm,0)時,其反轉(zhuǎn)的臨界電流密度可以下降到10×1011A/m2.接下來再分析反轉(zhuǎn)時間,當P1為(0,0)時,磁渦旋核反轉(zhuǎn)時間隨電流密度增加減小得比較明顯,P1在其他位置時雖然反轉(zhuǎn)時間也隨電流密度的增加而減小,但是電流密度的變化對反轉(zhuǎn)時間的影響沒有P1在盤中心時那么明顯.同樣可以看出P1的坐標越遠,越能減小磁渦旋核反轉(zhuǎn)的電流密度.值得一提的是,P1的坐標發(fā)生變化,其反轉(zhuǎn)時間相差比較大,以J=14×1011A/m2為例,當P2坐標發(fā)生變化時(見圖2(A)),磁渦旋核反轉(zhuǎn)時間都大約在3.5 ns,而當P1坐標發(fā)生變化時,磁渦旋核反轉(zhuǎn)時間卻在1.5～5.5 ns之間發(fā)生變化.接下來再分析P1位置改變對磁渦旋核反轉(zhuǎn)速度的影響.從圖3(B)中可以看出,磁渦旋核速度只有達到340 m/s時磁渦旋核才能夠發(fā)生反轉(zhuǎn),只不過達到該數(shù)值的時間差別比較大,這個結(jié)果和圖3(A)也是自洽的.

圖3 P2坐標固定為(-100 nm,0)、P1位置變化時,磁渦旋核的反轉(zhuǎn)時間(A)和磁渦旋核的反轉(zhuǎn)速度(B)

3 結(jié)論

通過微磁模擬軟件OOMMF研究了極化電流驅(qū)動下磁渦旋核的反轉(zhuǎn)動力學行為.極化電流通過納米點接觸方式通入納米盤激發(fā)磁渦旋,模擬計算顯示納米接觸點的位置對磁渦旋核反轉(zhuǎn)的臨界電流密度和反轉(zhuǎn)時間有較大影響.兩個納米接觸點存在時,改變半徑大的納米接觸點對磁渦旋核極性反轉(zhuǎn)的影響更大.