纳米接触点位置对磁涡旋核反转的影响范文

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摘要:利用微磁模拟的方法研究了纳米接触点的位置和大小对坡莫纳米盘中磁涡旋核极性反转的影响．着重研究了纳米接触点的位置和大小对磁涡旋核反转的临界电流密度和反转时间的影响．微磁模拟结果表明，纳米接触点的大小对磁涡旋核反转的临界电流密度产生很大影响，而纳米接触点的位置对磁涡旋核的反转时间影响很大．

关键词:磁涡旋;极化电流;极性反转;微磁模拟

引言

纳米盘中的磁涡旋在磁性随机存储器中有广泛的应用，因此对纳米盘中磁涡旋的动力学研究越来越受到广泛的关注．极化电流激发磁涡旋动力学的行为因为其易施加和节能的优点被广泛应用．极化电流激发磁涡旋动力学有3种方式，分别为纳米点接触、纳米柱接触以及磁性隧道结［1-7］．纳米柱接触多用于研究磁涡旋的旋转回归运动［1-2，8］，而纳米点接触激发磁涡旋的动力学研究主要集中在纳米接触点被设置在纳米盘中心的模型上，在这样的结构中由于纳米接触点产生的奥斯特场使得系统总的有效势能是圆周对称的，所以磁涡旋很难被激发，一般采取的方法是首先在纳米盘上施加一平面内磁场使涡旋核偏离盘的中心，再施加极化电流研究磁涡旋的动力学行为［9］．事实上，已经有实验研究证明纳米接触点可以被设置在纳米盘的任何位置［10-11］，而理论研究也证明了纳米接触点如果被设置在偏离纳米盘的中心，就会打破纳米盘总的有效势能的圆周对称性，进而使磁涡旋能够在更低的电流密度下以更快的时间完成反转［12］．研究证明纳米接触点的尺寸和位置对磁涡旋的动力学行为会产生一定的影响，但是并没有关于纳米接触点的位置和尺寸大小对磁涡旋核极性反转影响的报道．所以，本文研究了两个纳米点接触下磁涡旋核极性的反转行为，其中一个纳米接触点被设置在纳米盘的中心，另一个相同尺寸的接触点被放置在纳米盘的不同位置．本文得到的结论对磁涡旋核在存储器方面的应用具有重要的参考价值．

1模型和方法

如图1，采用了一个直径为400nm，厚度为10nm的坡莫纳米盘作为模型进行微磁学模拟．该尺寸下磁涡旋的初始构型为(p，c)=(1，1)．微磁学模拟采用OOMMF软件进行［13］．极化电流通过纳米点接触通入纳米盘，纳米点接触的直径变化范围为60～100nm．一个纳米接触点位于盘的中心，另一个接触点位于x轴上，两个点接触的中心与中心的距离d分别为100、125和150nm．设置电流的通向均为z轴正向．模拟中磁晶各项异性能被忽略，模拟磁单元大小为2．5nm×2．5nm×10nm．其他参数如下:饱和磁化强度Ms=8．6×105A/m，交换积分常数A=1．3×10－11J/m，电流极化度P=0．4，阻尼系数α=0．05．

2结果和讨论

首先研究了磁涡旋核反转的临界电流密度jc和反转时间与纳米接触点的位置和大小的关系．图2(A)显示了两个纳米接触点的距离d在100～150nm之间时不同尺寸纳米接触点下磁涡旋核反转的临界电流密度．当纳米接触点的半径Rc=50nm时jc的值为6×1011A/m2，当接触点的半径减小到Rc=30nm时，jc的值增加到15×1011A/m2，由此可见纳米接触点尺寸的大小对磁涡旋核极性反转的临界电流密度产生很大影响．同时我们也注意到，当Rc不变时，纳米接触点间的距离d对jc的影响较小，即不同位置时jc值的变化很小．图2(B)是各临界电流密度下磁涡旋核反转的时间，可以看出当d=100nm时，反转时间的差异是最小的．随着d的增加反转时间的差异越来越大．当然当纳米接触点的半径最大时其反转时间是最小的．这是因为当电流大时，产生的自旋转移扭矩以及奥斯特场都是大的，这两个因素的共同作用使得磁涡旋核完成反转．微磁模拟计算的过程显示，在这样的极化电流激发下，磁涡旋核是通过磁涡旋的形核和湮灭机制完成反转的．这个机制的反转要求是磁涡旋核的运动速度达到320～370m/s［14-16］．图3显示了Rc=40nm时两个不同纳米接触点位置下磁涡旋核的运动速度随模拟时间的变化关系．从图3可以观察到当磁涡旋核的运动速度达到350m/s时，磁涡旋核的极性就会发生反转，核反转后其速度迅速减小回到纳米盘的平衡位置．对比图3(A)和(B)，发现当d=150nm时，磁涡旋核需要更长的时间才能达到其反转的临界速度值，所以在该距离下，磁涡旋核的反转时间也是最长的，这一点从图2(B)中也可以找到答案．研究表明磁涡旋核在盘上的运动方向只与核的极性有关，核的运动方向与核的极性满足右手螺旋定则，即当磁涡旋核的极性向上时，它在盘上是逆时针旋转运动．反之则是顺时针运动．图4总结了两种距离下磁涡旋核反转前后的运动轨迹．空心圆代表磁涡旋核反转前的轨迹，实心圆代表反转后的轨迹．图4很清晰的表示出了磁涡旋核反转前后的运动方向和磁涡旋核的运动半径．还有一个值得关注的细节就是，磁涡旋核反转后并没有回到纳米盘的中心，这是因为当极化电流通过两个纳米接触点通入纳米盘时，系统总的有效势能不再是圆周对称的，有效势能的最低点即平衡位置也偏离了盘的中心．接下来，用图5表示出了磁涡旋核的反转过程，因为对于磁涡旋核极性反转动力学而言，其反转过程是非常重要的．图5(A)为磁涡旋的初始状态，即是磁涡旋核没通电流时的状态，黑色箭头代表平面内磁矩的方向．红色区域表示磁涡旋核，红色表示此时磁涡旋核的极性方向沿z轴正方向．图5(B)是通电流7．2ns后磁涡旋核的旋转回归运动，从电流开始通入纳米盘到图5(B)的这个阶段磁涡旋核的运动速度越来越大，形成一个磁涡旋与反磁涡旋对儿．直到图5(C)当磁涡旋核运动到9．5ns时，其运动速度达到了350m/s，就在这个时刻发生了磁涡旋核与反磁涡旋核的湮灭，同时释放出大量的自旋波．在完成磁涡旋与反磁涡旋对儿湮灭的同时，磁涡旋核的极性也就完成了反转，可以从图5(D)观察到此时的磁涡旋核已经是蓝色的，磁涡旋核的极性方向沿z轴负方向了，磁涡旋核完成了极性反转．但是，此时磁涡旋核还没有回到纳米盘的平衡位置，它的速度会迅速降低以和原来相反的旋转方向回到纳米盘的平衡位置．图5(E)就是最终反转后的磁涡旋核所在的位置．

3结论

运用微磁模拟的方法研究了两个纳米接触点激发的磁涡旋核极性反转的行为．微磁模拟过程显示磁涡旋在两个极化电流激发下是通过磁涡旋的形核和湮灭机制完成反转的，磁涡旋核反转的临界速度为350m/s．模拟结果显示纳米接触点的大小对磁涡旋核反转的临界电流密度影响很大，而纳米接触点的位置则对磁涡旋核的反转时间产生较大影响．

作者：李化南 何雨昕 胡月 单位：吉林师范大学