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1、扬州大学本科生毕业论文铁磁性薄膜中Spin Vortex微观磁构形的加垂直磁场钉扎研究 物理教育0401 吴香凯 指导教师：苏垣昌摘要：采用外加圆形小区域垂直强磁场的方法，对模型分别为,，的铁磁性薄膜中出现的Spin Vortex自旋构形进行控制和钉扎。首先在水平外场h0=0的情况下，对于模型，取磁偶极相互作用系数（w）分别为；对于模型，取w分别 为；对于模型，取w分别为,然后加圆形小区域垂直强磁场来控制Spin Vortex自旋构形：先把磁场加在正方形中央位置，逐渐加大圆形区域磁场的圆形半径，看当半径达到多大时，不同的磁偶极相互作用系数对应的Spin Vortex自旋构形才会被破坏或者变得不
2、够理想；再将圆心逐渐偏离正方形中央位置，看Spin Vortex自旋构形的中心是否跟着相应地偏离。然后令外场h0=0.4，外加圆形小区域垂直强磁场对16x16x4模型进行钉扎，并与钉扎之前对比，讨论钉扎的效果。关键词：磁多层膜，微观磁构形，Spin Vortex自旋构形，漂移，钉扎 Abstract：Plusing a small circular region of strong vertical magnetic field to pin the Spin vortex spin configuration shaped by the model of ferromagnetic film
3、s with , , . First of all , in zero magnetic eld（h0 = 0）, for the model of , asigning Magnetic dipole interaction coefficient (w) respectly as ;for the model of ,asigning w as ;for the model of ,asigning w as ,then joining a small circular region of strong vertical magnetic field to control them：fir
4、st let magnetic field locate in the central of the square , gradually increase the radius of circular region of strong vertical magnetic field , to see when how much the radius reach to, Spin vortex spin configuration of the different magnetic dipole interaction coefficient will be destroyed or beco
5、mes not ideal;Then gradually depart the central of the circular from the central of the square ,to see whether the centre of the Spin vortex spin configuration correspondingly departs from the centre of the squre.Then when the magnetic field h0 = 0.4, pulsing a small circle region of strong vertical
6、 magnetic field on 16 x16x4 model to pin it and compare to that before pinning ,disscusing the effect of pinning.Keyword: Magnetic multilayers, Microscopic magnetic configuration, Spin vortex spin configuration, Drift, pinning目录摘要1关键词1第一章 引言 4 一. 低维磁性体系的研究现状4 二. 铁磁或反铁磁磁多层膜微观自旋构形的研究现状及应用价值 4 三. 本论文研究
7、的内容和意义 5第二章 自旋动力学模拟方法 6第三章 自旋动力学程序模拟计算结果 11一外加圆形区域小面积垂直强磁场控制无水平外场下的Spin Vortex自旋构形 11 (一) 控制Spin Vortex自旋构形的形状 11（二）控制Spin Vortex自旋构形中心的位置 16二外加圆形区域小面积垂直强磁场钉扎有水平外场下的Spin Vortex自旋构形19 第四章 总结 25致谢25 参考文献26 附录28第一章 引言一. 低维磁性体系的研究现状 目前,低维磁性体系在实际中的应用已经进入人们的生活领域,比如近些年，计算机硬盘储存密度的逐年成倍提高正是得益于巨磁阻效应的运用。近十多年来，随
8、着实验磁性材料生长技术和信息储存与测量技术的发展，如分子束外延、电沉积法，电子全息技术等，人们对低维磁性体系展开了广泛的实验研究和理论研究。在这种低维磁性体系（如磁性多层膜等）中，发现了许多新颖的的现象，比如巨磁阻效应、磁性金属间交换作用（铁磁或反铁磁耦合）随非磁性金属的厚度呈振荡关系等，不仅具有基础研究的价值，还有磁信息储存与读写方面的巨大应用前景。二. 铁磁或反铁磁磁多层膜微观自旋构形的研究现状及应用价值 铁磁或反铁磁磁多层膜微观自旋构形，是关于低维磁性体系很重要的一个研究方向。一方面，自旋构形与各向异性、温度、外磁场之间的依赖关系表现出了丰富的物理。在某些二维铁磁体系中，由于垂直各向异性
9、与磁偶极距相互作用之间的竞争，会发生自旋构形的重取向相变：低温下体系的自发磁化方向磁膜表面的法线方向（垂直自旋构形），温度高到一定程度时，体系的自发磁花房向变为平行于层面的方向（平行自旋构形）。当这种自旋构形重取向相变发生时，在体系从垂直自旋构形向平行自旋构形转变过程中，还可能出现介于垂直自旋构形与平行自旋构形之间的倾斜自旋构形。另一方面，工业上潜在的广泛应用前景，如磁辑录，也激发着人们去研究是否能够人为地操控磁多层膜体系的微观自旋构型。 对于尺寸比较大的铁磁体系，其亚稳态的微观自旋构形，一般会分成多个磁畴。对于尺寸非常小的铁磁体系，Brown认为由于强铁磁交换作用，会使磁畴的形成完全被压制，
10、从而使整个磁体看起来就像一个大自旋。然而近年来，在尺寸为几百纳米量级的铁磁性磁多层膜里，实验和Monte Carlo、自旋动力学等方法的计算机模拟都显示了不同的构形。 非常常见的是一种被称作Spin Vortex的自旋构形，在这种自旋构形里，自旋基本上躺在磁膜平面内排列成涡旋形状。Spin Vortex的自旋构形是格点自旋间，短程的铁磁性耦合交换作用能与长程的磁偶极相互作用能（静磁能）之间相互竞争的结果。一方面，最近邻格点自旋间的铁磁耦合，要求近邻格点自旋的取向趋于一致，以减小交换作用能；另一方面，长程的磁偶极相互作用，要求所有自旋的总磁距趋向零，以减小静磁能。虽然一般说来，近邻格点自旋间铁磁
11、耦合的强度要远大于磁偶极相互作用的强度，但由于铁磁耦合是短程的，而磁偶极相互作用是长程的，当总格点数适当大，两者会势均力敌，这时要求亚稳态的自旋构形，必需能够同时保证交换作用能和静磁能尽可能小，从而导致了Spin Vortex自旋构形的产生。在Spin Vortex自旋构形里，近邻格点自旋的取向可保持很小的夹角，而涡旋状的排列又能够大大减小静磁能。不过，在Spin Vortex中心附近，随着旋绕半径减小，涡旋状排列不能保证近邻格点自旋之间维持小的夹角，所以强大的铁磁耦合会使这里的格点自旋往垂直方向翘起来，以减小此处近邻格点自旋间的交换作用能。 根据自旋动力学方法的计算机模拟，对于不考虑各向异性
12、的圆形或者正方形铁磁性磁多层膜，当外磁场为零时，Spin Vortex的中心会出现在体系的中心，这样体系的能量最低。如果沿磁膜平面内方向加磁场，这种中心翘起来的Spin Vortex自旋构形的中心会漂移，当磁场加大到一定程度后，Spin Vortex自旋构形将被破坏而不再出现，最后磁场很大时，所有自旋都朝向磁场的方向。如果磁场加在与磁膜平面垂直的方向，磁场不大时，所有自旋在磁膜平面内的投影仍为Spin Vortex构形，若垂直磁场很大，则所有自旋便都朝向垂直磁场的方向。三. 本论文研究的内容和意义 由于上述的Spin Vortex自旋构形在外磁场作用下会变得不稳定，易漂移，笔者认为，可以试图寻
13、找某种可行的方法来钉扎Spin Vortex自旋构形，使其在外场下稳定。笔者通过自旋动力学模拟来研究磁多层膜的微观自旋构形，采用在垂直磁膜表面方向加一圆形区域强磁场的方法来实现钉扎上述的Spin Vortex自旋构形，即通过降低Spin Vortex中心处铁磁耦合交换作用能，从而减少体系总能量来实现控制和钉扎的目的，从而可能拓展Spin Vortex自旋构形在磁记录方向的应用前景。 第二章 自旋动力学模拟方法一自旋动力学模拟思想及方程我们介绍模拟计算中要用到的半经典的自旋动力学方程32。对于格点模型的磁多层膜，体系的哈密顿量可写为 （2.1）其中第一项为交换作用能（铁磁或反铁磁耦合）项，是交换
14、积分常数，当时为铁磁耦合，时为反铁磁耦合，代表一对最近邻的格点。第二项是各向异性能项，为各向异性常数，当时，层面法线方向即轴方向为易磁化方向，平行层面的方向为难磁化方向，简称易轴各向异性；时， 轴方向为难磁化方向，平行层面的方向为易磁化方向，简称平行各向异性。第三项是塞曼能项，为外加磁场，为朗德因子，是波尔磁子。第四项是磁偶极相互作用能项，为磁偶极相互作用强度系数。如果是纯量子的情形，则（2.1）式所代表的希尔博特空间纬度非常大，比如如果有格点，每个格点自旋有向上和向下两个状态，则希尔博特空间纬度为维，处理起来的计算量太大，以至于根本无法做动力学的模拟计算。所以，我们这里把每个自旋都看成经典矢量，而不是力学量算符
