納米接觸點位置對磁渦旋核反轉的影響范文

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摘要:利用微磁模擬的方法研究了納米接觸點的位置和大小對坡莫納米盤中磁渦旋核極性反轉的影響．著重研究了納米接觸點的位置和大小對磁渦旋核反轉的臨界電流密度和反轉時間的影響．微磁模擬結果表明，納米接觸點的大小對磁渦旋核反轉的臨界電流密度產生很大影響，而納米接觸點的位置對磁渦旋核的反轉時間影響很大．

關鍵詞:磁渦旋;極化電流;極性反轉;微磁模擬

引言

納米盤中的磁渦旋在磁性隨機存儲器中有廣泛的應用，因此對納米盤中磁渦旋的動力學研究越來越受到廣泛的關注．極化電流激發磁渦旋動力學的行為因為其易施加和節能的優點被廣泛應用．極化電流激發磁渦旋動力學有3種方式，分別為納米點接觸、納米柱接觸以及磁性隧道結［1-7］．納米柱接觸多用于研究磁渦旋的旋轉回歸運動［1-2，8］，而納米點接觸激發磁渦旋的動力學研究主要集中在納米接觸點被設置在納米盤中心的模型上，在這樣的結構中由于納米接觸點產生的奧斯特場使得系統總的有效勢能是圓周對稱的，所以磁渦旋很難被激發，一般采取的方法是首先在納米盤上施加一平面內磁場使渦旋核偏離盤的中心，再施加極化電流研究磁渦旋的動力學行為［9］．事實上，已經有實驗研究證明納米接觸點可以被設置在納米盤的任何位置［10-11］，而理論研究也證明了納米接觸點如果被設置在偏離納米盤的中心，就會打破納米盤總的有效勢能的圓周對稱性，進而使磁渦旋能夠在更低的電流密度下以更快的時間完成反轉［12］．研究證明納米接觸點的尺寸和位置對磁渦旋的動力學行為會產生一定的影響，但是并沒有關于納米接觸點的位置和尺寸大小對磁渦旋核極性反轉影響的報道．所以，本文研究了兩個納米點接觸下磁渦旋核極性的反轉行為，其中一個納米接觸點被設置在納米盤的中心，另一個相同尺寸的接觸點被放置在納米盤的不同位置．本文得到的結論對磁渦旋核在存儲器方面的應用具有重要的參考價值．

1模型和方法

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

2結果和討論

首先研究了磁渦旋核反轉的臨界電流密度jc和反轉時間與納米接觸點的位置和大小的關系．圖2(A)顯示了兩個納米接觸點的距離d在100～150nm之間時不同尺寸納米接觸點下磁渦旋核反轉的臨界電流密度．當納米接觸點的半徑Rc=50nm時jc的值為6×1011A/m2，當接觸點的半徑減小到Rc=30nm時，jc的值增加到15×1011A/m2，由此可見納米接觸點尺寸的大小對磁渦旋核極性反轉的臨界電流密度產生很大影響．同時我們也注意到，當Rc不變時，納米接觸點間的距離d對jc的影響較小，即不同位置時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的時間，可以看出當d=100nm時，反轉時間的差異是最小的．隨著d的增加反轉時間的差異越來越大．當然當納米接觸點的半徑最大時其反轉時間是最小的．這是因為當電流大時，產生的自旋轉移扭矩以及奧斯特場都是大的，這兩個因素的共同作用使得磁渦旋核完成反轉．微磁模擬計算的過程顯示，在這樣的極化電流激發下，磁渦旋核是通過磁渦旋的形核和湮滅機制完成反轉的．這個機制的反轉要求是磁渦旋核的運動速度達到320～370m/s［14-16］．圖3顯示了Rc=40nm時兩個不同納米接觸點位置下磁渦旋核的運動速度隨模擬時間的變化關系．從圖3可以觀察到當磁渦旋核的運動速度達到350m/s時，磁渦旋核的極性就會發生反轉，核反轉后其速度迅速減小回到納米盤的平衡位置．對比圖3(A)和(B)，發現當d=150nm時，磁渦旋核需要更長的時間才能達到其反轉的臨界速度值，所以在該距離下，磁渦旋核的反轉時間也是最長的，這一點從圖2(B)中也可以找到答案．研究表明磁渦旋核在盤上的運動方向只與核的極性有關，核的運動方向與核的極性滿足右手螺旋定則，即當磁渦旋核的極性向上時，它在盤上是逆時針旋轉運動．反之則是順時針運動．圖4總結了兩種距離下磁渦旋核反轉前后的運動軌跡．空心圓代表磁渦旋核反轉前的軌跡，實心圓代表反轉后的軌跡．圖4很清晰的表示出了磁渦旋核反轉前后的運動方向和磁渦旋核的運動半徑．還有一個值得關注的細節就是，磁渦旋核反轉后并沒有回到納米盤的中心，這是因為當極化電流通過兩個納米接觸點通入納米盤時，系統總的有效勢能不再是圓周對稱的，有效勢能的最低點即平衡位置也偏離了盤的中心．接下來，用圖5表示出了磁渦旋核的反轉過程，因為對于磁渦旋核極性反轉動力學而言，其反轉過程是非常重要的．圖5(A)為磁渦旋的初始狀態，即是磁渦旋核沒通電流時的狀態，黑色箭頭代表平面內磁矩的方向．紅色區域表示磁渦旋核，紅色表示此時磁渦旋核的極性方向沿z軸正方向．圖5(B)是通電流7．2ns后磁渦旋核的旋轉回歸運動，從電流開始通入納米盤到圖5(B)的這個階段磁渦旋核的運動速度越來越大，形成一個磁渦旋與反磁渦旋對兒．直到圖5(C)當磁渦旋核運動到9．5ns時，其運動速度達到了350m/s，就在這個時刻發生了磁渦旋核與反磁渦旋核的湮滅，同時釋放出大量的自旋波．在完成磁渦旋與反磁渦旋對兒湮滅的同時，磁渦旋核的極性也就完成了反轉，可以從圖5(D)觀察到此時的磁渦旋核已經是藍色的，磁渦旋核的極性方向沿z軸負方向了，磁渦旋核完成了極性反轉．但是，此時磁渦旋核還沒有回到納米盤的平衡位置，它的速度會迅速降低以和原來相反的旋轉方向回到納米盤的平衡位置．圖5(E)就是最終反轉后的磁渦旋核所在的位置．

3結論

運用微磁模擬的方法研究了兩個納米接觸點激發的磁渦旋核極性反轉的行為．微磁模擬過程顯示磁渦旋在兩個極化電流激發下是通過磁渦旋的形核和湮滅機制完成反轉的，磁渦旋核反轉的臨界速度為350m/s．模擬結果顯示納米接觸點的大小對磁渦旋核反轉的臨界電流密度影響很大，而納米接觸點的位置則對磁渦旋核的反轉時間產生較大影響．

作者：李化南 何雨昕 胡月 單位：吉林師范大學