（凝聚态物理专业论文）几种磁性微结构的自旋动力学及两种磁性薄膜的物性研究.pdf

摘要 几种磁性微结构的自旋动力学及两种磁性薄膜的物 性研究 专业：凝聚态物理 博士生：邢祥军 导师：李树玮教授 摘要 1 9 9 6 年自旋转移矩效应的发现标志着自旋电子学的重大进步。这一发现深 化了人们对磁系统中电子输运性质和磁化状态之间关联的理解。自旋转移矩效应 正在更新传统的磁化理论，因为在亚微米尺寸磁系统中，自旋转移矩的磁化效应 远大于电流产生的附加磁场的磁化效应。考虑到器件的不断微型化，自旋转移矩 效应拥有巨大的应用前景。 微磁结构例如磁畴和磁畴壁是传统存储技术的重要元素，并且可能在未来的 应用中占有重要地位。自旋转移矩效应的存在使得电流对磁系统的操控成为现 实，在新型、高性能的非挥发性存取存储、硬盘存储、纳米振荡器、甚至逻辑电 路中具有重大的应用潜力。为了实现这些应用还要开展很多基础研究工作。自旋 波是磁系统中最基本的激发模式，有希望应用于低能耗的信息处理器件，但是仍 有很多基本问题有待解决。这些事实是本论文研究工作的直接原因。 铁酸铋是目前发现的唯一具有室温铁电性和反铁磁性的材料，因其巨大的应 用潜力，在过去几年间成为了研究的焦点。在此背景下，本论文研究了多层膜结 构中铁酸铋薄膜的磁性，还研究了另一种具有非共线磁结构的材料一多相二氧化 锰。 本论文的主要研究结果如下： 摘要 i 垂直注入的自旋极化电流作用下磁反涡旋的自旋动力学 系统研究了自旋极化电流作用下磁性反涡旋的动力学行为，揭示了反涡旋核 的两种激发模式：螺线进动模式和翻转模式，前者对应较低的激发电流，后者对 应较高的激发电流，即存在一个阈值电流。 螺线进动可以用t h i e l e 方程加以描述，该方程说明了螺线轨道的畸变，轨道 畸变归因于样品边界处出现的磁结构，它们的出现改变了原有的回复力。螺线进 动模式的末态为畴壁态或者涡旋态，决定于激发电流密度。螺线进动的频率依赖 于样品的几何尺寸。在临界半径以内，偏离中心的反涡旋可以通过驰豫回归平衡 位置，即样品中心。 对于翻转模式，反涡旋极性翻转的时间尺度约2 0 0p s ，翻转事件通过两个布 洛赫点的原位注入、传播和湮灭来实现，而不是通过著名的涡旋一反涡旋对的产 生和湮灭来实现。布洛赫点的注入起源于四重圆涡旋阵列的压缩。对于不同的激 发电流，随着电流密度的降低翻转时间逐渐延长。当反涡旋极性翻转后，撤除外 激发电流，发生翻转事件的系统会驰豫至平衡态，平衡态的磁结构取决于激发参 数，即电流密度。 i i 核壳磁圆盘中的受迫磁涡旋及其自旋极化电流作用下的极性翻转动力学 提出了一种由软磁圆环和嵌套在其中心的硬磁圆柱构成的核壳结构的磁圆 盘。由于能量的重新分布，硬磁圆柱上会形成一个受迫磁涡旋。研究了电流作用 下受迫磁涡旋的动力学，发现由于限制效应，涡旋核的螺线进动受到抑制，并且 核的翻转事件不经过涡旋一反涡旋对的调制完成，而是通过一个传播的布洛赫点 的辅助完成。依赖于电流密度，这种布洛赫点调制的翻转过程呈现不同的模式( 彳 模式、曰模式和c 模式) 。因模式转化，翻转时间随电流密度非单调变化。对于 直径为8 0a m 的圆盘，彳模式给出非常“干净的翻转过程。 i i i 垂直注入的自旋极化电流对自旋波传播特性的调控 通过理论分析和数值模拟研究了垂直注入线状自旋阀的电流对自由层中自 旋波的传播特性的调制。理论分析表明，s l o n c z o w s k i 自旋转移矩可以引起自旋 波多普勒效应并调控自旋波的衰减，而类场自旋矩贡献很小以至可以忽略不计。 u 摘要 微磁模拟证实了以上理论预测，并且表明过阈值电流作用下自旋波不稳定。通过 局域的独立电流可以选择性地调制自旋波的衰减。 i vb i f e 0 3 和m n 0 2 薄膜磁性的研究 ( i ) 三层b i 3 2 5 l a o 7 5 t i 3 0 1 2 b i f e 0 3 b i 3 2 s l a o 7 s t b o l 2 结构中b i f e 0 3 的磁性 利用化学溶液沉积法在( 1 l1 ) p t t i s i 0 2 s i 衬底上成功制备了b l t b f o b l t 三层膜。相对于单层b f o 薄膜，三层膜呈现减弱的铁磁性和降低的磁化强度， 这是因为氧空位受到抑制，使得b f o 中磁矩间的倾斜角减小和双交换相互作用 减弱。在5k 的温度，b l t b f o b l t 三层膜的饱和磁化强度为1 8e m u c r a 3 ；在 3 0 0k ，其值为3 6e m u c m 3 。三层膜中的应变没有显著增强三层膜的磁化强度。 在整个频率范围，三层膜具有良好的介电特性。 ( 坳等离子体辅助分子束外延生长的m n 0 2 薄膜的磁性 利用等离子体辅助分子束外延技术在( 0 0 1 ) l a a l 0 3 和( 0 0 1 ) m g o 衬底上生长 了单晶- m n 0 2 薄膜。x p s 和r a m a n 光谱表明薄膜为f l - m n 0 2 ，其中m n 3 + 和m n 4 + 共存。磁性测试结果表明薄膜不仅在5k 表现出铁磁性，在室温下也具有铁磁性； 在5k 温度下，两种衬底上的薄膜具有不同的低场磁滞回线。磁性的起源有两个 方面：首先，晶格形变改变了原子间距，进而破坏了三个交换相互作用项之间原 有的平衡，使螺旋磁结构达到新的平衡态；其次，混价离子的共存产生了新的交 换相互作用，导致了铁磁性的出现。 关键词：自旋动力学，自旋转移矩，磁涡旋，白旋波，磁滞回线 1 i i 摘要 s p i n 。 o fs e v e r a ln i l n e dgnetic5pin d y n a m i c s v e r a lc o n i i n e m a g n e t i c s t r u c t u r e sa n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so ft w om a g n e t i c t h i nf i l m s m a j o r ：c o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s n a m e ：x i a n g j u nx i n g s u p e r v i s o r ：s h u w e il i ，p r o f e s s o r a b s t r a c t t h eg r e a td i s c o v e r yo fs p i n - t r a n s f e rt o r q u e ( ac o n v e r s ee f f e c to fg i a n t m a g n e t o r e s i s t a n c e ) i n19 9 6b ys l o n c z e w s k ia n db e r g e rm a r k sap r o f o u n da d v a n c e i n s p i n t r o n i c sa n d a l s oi nm i c r o m a g n e t i c s t h i sd i s c o v e r yh a sb e e nd e e p e n i n gp e o p l e s u n d e r s t a n d i n go ft h ec o r r e l a t i o nb e t w e e ne l e c t r o n i ct r a n s p o r ta n dm a 印e t i z a t i o ni n m a g n e t i cs y s t e m s ，w h i c h w a sf i r s tr e v e a l e d b y t h e d i s c o v e r y o fg i a n t m a g n e t o r e s i s t a n c e t h es p i n - t r a n s f e rt o r q u ei su p d a t i n gc o n v e n t i o n a lm a g n e t i z a t i o n t h e o r y , s i n c ei ns u b m i e r o s c a l em a g n e t i cs y s t e m st h i se f f e c ti ss oo b v i o u st h a ti t c a n d o m i n a t eo v e rt h a td u et ot h ec u r r e n t sa c c o m p a n y i n go e r s t e df i e l di nd e t e r m i n i n gt h e d y n a m i c so fs y s t e m s c o n s i d e r i n gt h eo n g o i n gm i n i a t u r i z a t i o no fd e v i c e s ，t h e s p i n - t r a n s f e rt o r q u ee f f c tp o s s e s s e sh u g ep o t e n t i a li np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s m i c r o m a g n e t i cs 仃u c t u r e s ，s u c ha sm a g n e t i cd o m a i n sa n dd o m a i nw a l l s ，a r e i m p o r t a n ti n g r e d i e n t si nc o n v e n t i o n a ld a t a - s t o r a g et e c h n o l o g ya n dw i l lc o n t i n u et o h a v eap l a c ei nf u t u r ea p p l i c a t i o n s t h ee x i s t e n c eo fs p i n - t r a n s f e rt o r q u ee f f e c tm a k e s p o s s i b l e c u r r e n tm a n i p u l a t i o no fm i e r o m a g n e t i cs t r u c t u r e s , i m p l y i n gp r o m i s i n g p e r s p e c t i v e s f o rn o v e l ，h i g h p e r f o r m a n c ed e v i c e si n c l u d i n gn o n v o l a t i l em a g n e t i c 摘要 r a n d o ma c c e s sm e m o r y , d a t as t o r a g e ，n a n o o s c i l l a t o r , a n de v e nl o g i cc i r c u i t t ot h i s e n d ，m u c hf u n d a m e n t a lr e s e a r c h e sh a v et ob ec a r r i e do u t s p i nw a v e sa st h em o s t b a s i ce x c i t a t i o nm o d eo fm a g n e t i cs y s t e m sm i g h tb eu s e di nl o w p o w e r - c o n s u m p t i o n s i g n a lp r o c e s s i n g ，b u ts t i l lm u c hw o r k sa r en e e d e df o rt h i sp u r p o s e i ti st h e s ef a c t s t h a tl e a dt oo u rw o r k so nc o n f i n e dm a g n e t i cs y s t e m s i np a s ts e v e r a ly e a r s ，p e r o v s k i t eb i s m u t hf e r r i t e ，t h eo n l ym u l t i f e r r o i c sw i t hb o t h f e r r o e l e c t r i cc u r i et e m p e r a t u r ea n da n t i f e r r o m a g n e t i cn 6 e lt e m p e r a t u r eh i g h e rt h a n r o o mt e m p e r a t u r e ，h a sb e c o m et h ef o c u so fr e s e a r c hb e c a u s eo fi t ss i g n i f i c a n c ei n p o t e n t i a la p p l i c a t i o n s i nt h eb a c k g r o u n d ，w em a d es o m ei n v e s t i g a t i o n so nf a b r i c a t i o n a n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h i nf i l m so fb i f e 0 3a n dm n 0 2 ，o fw h i c hb o t hh a v e n o n c o l l i n e a rm a g n e t i cc o n f i g u r a t i o n s t h em a i nf i n d i n g si nt h ed i s s e r t a t i o na r el i s t e da sf o l l o w s ： im a g n e t i z a t i o nd y n a m i c so fm a g n e t i ca n t i v o r t i c e su n d e rp e r p e n d i c u l a r l y i n j e c t e ds p i n - p o l a r i z e dc u r r e n t s m a g n e t i ca n t i v o r t e xd y n a m i c sd r i v e nb ys u d d e na c t i o no fs p i n p o l a r i z e d d c c u r r e n ti ss t u d i e d t w om a i ne x c i t a t i o nm o d e sa r ef o u n dw i t hi n c r e a s e dc u r r e n t d e n s i t y , i n v o l v i n gat r a n s l a t i o n a l ( g y r o t r o p i c ) m o d ea n dap o l a r i t yr e v e r s a lm o d e t h ef o r m e rm o d ec a nb ed e s c r i b e db yt h et h i e l e se q u a t i o n , w h i c ha c c o u n t sf o r t h eo r b i t a ld i s t o r t i o ni nv i e wo ft h em o d i f i e dr e s t o r i n gf o r c eb yn o n t r i v i a ls t r u c t u r e s n u c l e a t e da ts a m p l ee d g e s t h ef i n a ls t a t e so ft h es y s t e mi nt h et r a n s l a t i o n a lm o d ea r e o b t a i n e d ，b e i n ge i t h e rad o m a i nw a l ls t a t eo rav o r t e xs t a t e ，d e p e n d i n go nt h ec u r r e n t d e n s i t y t h ef r e q u e n c yo fg y r o m o t i o ni sd e p e n d e n to nd o ts i z e s w i t h i nat h r e s h o l d r a d i u s ，t h eo f f - c e n t e r e da n t i v o r t e xc a nf r e e l yr e l a xb a c kt ot h ed o tc e n t r e f o rp o l a r i t yr e v e r s a lm o d e ，t h ec o r ei ss w i t c h e do nat i m es c a l eo f 砣0 0p s t h r o u g ht w ob l o c hp o i n t si n j e c t i o na f t e rf u l l ys u p p r e s s e db yaq u a d r u p l e - v o r t i c e s a r r a y , n o tt h r o u g ht h ew e l l k n o w np r o c e s si n v o l v i n ga na n t i v o r t e x - v o r t e xp a i r c r e a t i o na n da n n i h i l a t i o n a st h ec u r r e n td e n s i t yd e c r e a s e s ，t h et i m er e q u i r e dt os w i t c h t h ec o r ei n c r e a s e s t h es t a t ea f t e rf u l lr e l a x a t i o nd e p e n d so nt h ec u r r e n td e n s i t y , n a m e l y , t h ee x c i t a t i o np a r a r n e t e r v 摘要 i ie x c h a n g e - c o m p e l l e dv o r t i c e so nm a g n e t i cc o r e - s h e l lc y l i n d e r sa n dt h e i r p o l a r i t y - r e v e r s a ld y n a m i c su n d e rs p i n - p o l a r i z e dc u r r e n t s m a g n e t i cc o r e - s h e l lc y l i n d e r sc o m p o s e do fah a r dd o ta n das o f tr i n ga r e p r o p o s e d ac o m p e l l e d v o r t e xi sf o r m e do nt h ec e n t r a ld o td u et oe n e r g y r e d i s t r i b u t i o n ，c u r r e n t d r i v e np o l a r i t y - r e v e r s a ld y n a m i c si sc l a r i f i e d b e c a u s eo ft h e c o n f i n e m e n te f f e c t ，t h ev o r t e x - c o r e g y r o t r o p i cm o t i o n , a n df u r t h e rt h e v o r t e x - a n t i v o r t e xp a i rm e d i a t e dr e v e r s a la r es u p p r e s s e d i n s t e a d ，t h ep o l a r i t yr e v e r s a l i sa c h i e v e dt h r o u g hs i n g l e b l o c h p o i n t sn u c l e a t i o n , p r o p a g a t i o n , a n df i n a le j e c t i o n d e p e n d i n go nt h ec u r r e n td e n s i t y , t h eb l o c h - p o i n t - m e d i a t e dr e v e r s a lp r o c e s sa d o p t s d i f f e r e n tm o d e s ，i e ，a - ，b - ，a n dc - m o d e s t h es w i t c h i n gt i m ei san o n m o n o t o n i c f u n c t i o no ft h ec u r r e n td e n s i t y f o rt h e8 0 姗- w i d ec y l i n d e r , t h ea - m o d eg i v e sa “c l e a n ”p o l a r i t yr e v e r s a l i i im o d u l a t i o no f p r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so f s p i n w a v e s b y p e r p e n d i c u l a r l yi n j e c t e ds p i n - p o l a r i z e dc u r r e n t s t h ee f f e c to fp e r p e n d i c u l a rc u r r e n t so nt h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs p i n w a v e so naw i r ec o m p o s i n gt h ef r e el a y e ro fas p i i lv a l v eh a sb e e nt h e o r e t i c a l l ya n d n u m e r i c a l l yi n v e s t i g a t e d t h et h e o r ys h o w st h a tt h es l o n c z e w s k i ss p i n - t r a n s f e r t o r q u ei t s e l fc a l lc a u s et h es p i n - w a v ed o p p l e re f f e c ta n dm o d i f yt h es p i n - w a v e a t t e n u a t i o na n dt h a tt h ef i e l d l i k et o r q u em a k e sn e g l i g i b l ec o n t r i b u t i o n m i c r o m a g n e t i c s i m u l a t i o n sc o n f i r mt h et h e o r e t i c a lp r e d i c t i o n sa n df u r t h e rr e v e a lt h a ts p i nw a v e s u n d e rs u p r a t h r e s h o l dc u r r e n t sa r ei n s t a b l e f i n a l l y , s e l e c t i v et u n i n go ft h es p i n w a v e a t t e n u a t i o nc a nb ea c c o m p l i s h e db yu s i n gl o c a l ，i n d i v i d u a lc u r r e n t s i vi n v e s t i g a t i o n so nm a g n e t i cp r o p e r t i e so fb i f e 0 3a n dm n o zt h i nf i l m s ( i ) m a g n e t i cp r o p e r t i e so fb i f e 0 3f i l m si nt r i l a y e r e db h a s l a e 7 s t i 3 0 l y b i f e 0 3 b h 。2 s t a , 3 s l h o l zs t r u c t u r e s t r i l a y e r e db i 3 2 5 l a o 7 5 t i 3 0 1 2 b i f e 0 3 b i 3 2 5 l a o 7 5 t i 3 0 1 2f i l m sw e r ef a b r i c a t e do n ( 111 ) p t t i s i 0 2 s i s u b s t r a t e s b yc h e m i c a ls o l u t i o nd e p o s i t i o nt e c h n i q u e f o r v i 摘要 c o m p a r i s o n ，s i n g l e - l a y e r e db i f e 0 3 ，t i n g l e l a y e r e db i 3 2 5 l a o 7 5 t i 3 0 1 2 ，a n db i l a y e r e d b i f e 0 3 b i 3 2 5 l a o 7 5 t i 3 0 1 2f i l m sw e r ea l s op r e p a r e do nt h es a m es u b s t r a t e s c o m p a r e d t ot h es i n g l e - l a y e r e db i f e 0 3f i l m s ，t h et i r l a y e r e df i l m sd e m o n s t r a t ei m p r o v e d m a g n e t i cp r o p e r t i e sw i t hm u c hr e d u c e dm a g n e t i z a t i o na n dw e a k e n e df e r r o m a g n e t i s m ， o fw h i c ht h em e c h a n i s mi st h ed e c r e a s e dc a n t i n ga n g l ea n dt h ew e a k e n e dd o u b l e e x c h a n g ei n t e r a c t i o ni nb i f e 0 3 i nt h et r i l a y e r e df i l m s t h ed i e l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h et r i l a y e r e df i l m sa r es i m u l t a n e o u s l ym o d i f i e d ( i i ) m a g n e t i cp r o p e r t i e so ff l - m n 0 2t h i nf d m sg r o w nb yp l a s m a a s s i s t e d m o l e c u l a rb e a me p i t a x y s i n g l ec r y s t a lf l - m n 0 2f i l m sh a v eb e e ne p i t a x i a l l yg r o w no n ( 0 01 ) l a a l 0 3a n d ( 0 0 1 ) m g os u b s t r a t e sb yu s i n gp l a s m a a s s i s t e dm o l e c u l a rb e a me p i t a x y o nt h eb a s i s o fr e f l e c t i v eh i g he n e r g ye l e c t r o nd i f f r a c t i o n , x - r a yd i f f r a c t i o n ，r a m a ns p e c t r o s c o p y , a n dx - r a yp h o t o e m i s s i o ns p e c t r o s c o p y , t h ef i l m sa r ec o n f i r m e dt ob ef l - m n 0 2w i t l l s l i g h to x y g e nv a c a n c i e sr e s u l t i n gi nc o e x i s t e n c eo fm n 3 + a n dm n 4 + t h e s ef i l m sa r e f e r r o m a g n e t i ca tr o o mt e m p e r a t u r e ，w h i c hi sr e c k o n e dt or e s u l tf r o mn e w f o r m so f e x c h a n g ei n t e r a c t i o ni nm n 0 2d u e t oc o e x i s t i n gm n 3 + a n dm i ，t h ef i l m so nv a r i o u s s u b s t r a t e ss h o wd i f f e r e n tm a g n e t i cp r o p e r t i e sa t5ka t t r i b u t a b l et od i f f e r e n ts p i n c o n f i g u r a t i o n sb e t w e e nt h e s ef i l m s ，w h i c hs u p p o r t sy o s h i m o f i st h e o r e t i c a lp r e d i c t i o n t h a ta l la p p l i e ds t r e s sc a nv a r yt h es c l e ws p i nc o n f i g u r a t i o n t w op o t e n t i a li n t e r a c t i o n m e c h a n i s m sa r ep r o p o s e dr e g a r d i n gt h eo n g m so ft h eo b s e r v e dm a g n e t i cp r o p e r t i e s k e y w o r d s ：s p i nd y n a m i c s ，s p i n - t r a n s f e rt o r q u e , m a g n e t i cv o r t e x ，s p i nw a v e , v i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：邢弩罕 日期：z , , t o 年- 石月j 7 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：邢评军 日期：7 v l 。年月? 日 导师签名： 日期：心年飞月 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下 完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受国家 知识产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请 专利，均须由导师作为通讯联系人，未经导师的书面许可，本人不得 以任何方式，以任何其它单位做全部和局部署名公布学位论文成果。 本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：哥p 评季 日期：7 o l o 年蜃月7 日 l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 微磁系统的状态描述 1 1 1 微磁系统的序参量 对于微磁系统，可以用磁化强度矢量肘作为序参量，描述系统的状态。通 常，对于一般情形，认为肘的大小恒定并等于饱和磁化强度m s 1 8 】，即：幽砒， m s - - - m 。( t 为温度的函数 3 ，6 】；这时可以用一单位矢量腑来描述此类系统， m = m m s 。通常，肼随位置变化：在外激发驱动下，小还会随时间变化，即胁= 册( ， d 。 微磁系统的自由能一般主要来源于以下几种贡献 1 ，4 6 ，8 1 2 1 ：交换相互作用能， 静磁相互作用( 也称磁偶极相互作用) 能，磁晶各向异性能，以及磁矩与外磁场 之间的塞曼相互作用能。系统中每一种相互作用都产生一个等效磁场【l ，6 ，8 】， 这样，任意位置处的磁化矢量都会感受到一个总有效磁场的作用 ( 日苏，垆趣( ， 力“，力州毛( ，f ) 斗曰厶“，哆，这里冠万为总有效磁场，刀；为交换场， l i d 为自退磁场，凰为各向异性场，刀。为外加磁场) 。 交换相互作用能e x r , o = a ( r ) x o ( a j m j ) 2 ，其中a ( o 为相邻磁化矢量之间的交换 劲度系数，起源于电子之间的交换作用，瞰户乃力为朋的分量，本质上属于 量子力学效应【1 ，3 ，6 ，9 ，1 0 】。交换相互作用具有短程性，只发生在交换长度 ( 砧= ( “纽膨) “2 ，大约5i t m ) 以内的磁化矢量之间。磁偶极相互作用能 e d ( r , t ) = - ( 1 2 ) m h d ，是一种经典效应，具有长程性，发生在系统中任意两个磁化 矢量之间 1 ，4 ，6 ，9 ，1 0 ，1 3 ，1 4 】。对于单轴各向异性材料，磁晶各向异性能 8 ”口( ，垆：甚：( r ，o m 靠( ，) 】2 ，其中n ( r ) 为沿磁晶体易轴的单位矢量，凰为单轴各向异 性常数；对于立方各向异性材料，磁晶各向异性能 e c o ( r , t ) = - k c ( r , t ) ( m x m y ) z + ( m y m z ) 2 + ( 他蚴2 】，其中疋为立方各向异性常数；磁晶各 向异性起源于自旋一轨道耦合，本质上属于相对论效应1 1 ，3 ，6 ，9 ，1 0 ，1 5 】。塞曼 相互作用能以， 力一胁五l 耐。由各能量项对磁化强度变分可得到对应的有效场。 1 1 2 微磁系统的阻尼 第1 章绪论 在外磁场作用下，磁化矢量将沿有效磁场以l a r m o r 频率进动；理想状态下， 磁化矢量以与有效场的恒定夹角进动。对于实际的磁系统，如果磁场足够大，磁 化矢量总会平行于外磁场排列。实际的磁性材料中，总是存在各种耗散系统能量 的过程 1 6 2 1 1 ，这些过程导致磁化矢量并不能以恒定角度进动，而是逐渐趋向有 效场的方向 1 ，2 2 2 6 ，以降低系统的能量。关于阻尼的物理机制，虽然经过了几 十年的理论和实验研究，但目前尚不十分清楚，一般认为与自旋一轨道耦合、电 子一电子散射、电子一缺陷散射及自旋一晶格驰豫等过程有关 1 6 2 1 。不过，对 于特定的材料，其阻尼系数一般是确定的，可以通过铁磁共振实验来测定。 1 1 3 磁化强度矢量的运动方程 如果通过某种途径，例如加热或施加磁场，使磁系统偏离其平衡状态，磁化 强度矢量就会在其所处的有效磁场中运动。这一过程可以用磁化矢量的运动方 程一一l 锄d a u - l i f s h i t z - g i l b e r t ( l l g ) 方程 2 3 ，2 4 来描述： 詈一廊勘+ 蕊署，( 1 - 1 ) 这里】，为旋磁因子，a 为g i l b e r t 阻尼系数。对上式进行适当变换，可得到另一方 便计算的表达式： 譬- - - m 廊勘一嘲( 历勘) ， ( 1 2 ) 其中，) 铲( 1 + 铲) ，a o = y o a ，称为l a n d a u - l i f s h i t z 方程 1 】。l l g 方程右边第一项 描述磁化矢量绕有效场的进动，第二项描述磁化矢量的阻尼运动( 见图1 1 ) 。 系统通过阻尼耗散能量，在平衡状态总自由能处于某一极小值，对应能量空间中 的稳态或亚稳态。系统必须跨越势垒才能从一个平衡态到达另一个平衡态。 2 第1 章绪论 1 2 受限磁性微结构 受限磁性微结构( c o n f i n e dm a g n e t i cs t r u c t u r e s ) 【1 2 ，2 7 2 9 1 是通过微加工方 法或自组织方法制备的一种亚微米或微米尺寸的磁结构，根据需要可以制备具有 各种不同几何形状的磁性微结构，比如一维磁条和二维磁点。如前所述，在磁性 材料中，通常考虑交换相互作用能，静磁相互作用能，磁晶各向异性能，以及磁 场存在时的塞曼能。空间尺度限制导致不同能量之间相互竞争，使得磁性微结构 显示出许多新颖的静态特性及动力学行为 1 2 ，2 7 2 9 】。利用磁性微结构可以分离 出多种类型的磁畴及畴壁【3 0 】，进而方便地研究它们的动力学行为。由于内场的 不均匀分布，磁性微结构可呈现出量子化自旋波模 1 2 ，2 8 ，3 1 。 半导体行业的发展推动了微加工技术的不断进步，使得人们可以方便地制备 出横向尺寸低至数十纳米的磁性微元；高速发展的磁成像技术 1 2 ，2 7 ，3 2 3 8 帮助 人们陆续观察到尺寸低至几十纳米的磁畴及畴壁结构。这些实验观测结果证实了 以往的理论预测，从而激起了人们更大的研究兴趣。对于传统的计算机系统，半 导体微电子材料和磁性材料二分天下【1 3 】：前者承担逻辑运算任务，后者承担数 据存储任务。1 9 8 8 年巨磁电阻效应的发现 3 9 ，4 0 推动了磁存储技术的高速发展， 并最终使得磁存储容量提高了1 0 0 0 倍。信息时代的到来呼唤更高密度、高速度、 低能耗、高可靠性的存储记忆技术。这吸引了全球众多科学家投入到新型的高性 能磁性材料探索、磁性理论研究及实验研究中。受限磁性微结构因其丰富的动态 激发谱，可以用于制作磁存储器、非挥发性随机存取存储器、振荡器、换能器、 生物传感器、以至磁逻辑电路等 4 1 5 0 。 1 2 1 受限磁性微结构的形状各向异性 受限磁性微结构因其独特的几何形状，可以呈现特定的各向异性，称为形状 各向异性。为了降低系统的总能量，铁磁性材料的自退磁能总是趋向于将磁矩平 行于样品的表面排列，以降低样品表面磁荷分部密度，进而降低系统的退磁能。 这种效应的结果表现为：对于特定的几何形状，磁性微结构产生特定的形状各向 异性。因此，可以通过改变样品的几何形状和尺寸来调节系统的能量图景，调制 3 第1 章绪论 系统呈现出各种不同的磁( 亚) 稳定态以及新型的激发模。 1 2 2 受限磁性微结构的激发 磁系统的平衡态可以被外加的驱动破坏，称为磁系统的激发。通常使用磁场 激发磁系统，使其处于动力学模式或达到特定的磁静态。除了磁场激发，磁系统 还会被热激发，由于热作用的随机性，难以控制系统达到特定的磁态，所以在实 际应用中，总是选择磁场来控制器件实现特定的功能。处于室温环境下的磁系统 除了被磁场激发外还同时受到热激发，所以某些磁系统的动力学行为呈现出一定 的随机性。当磁系统的几何尺寸低至某一临界值，热涨落的能量超过系统的各向 异性能，此时磁系统由于热激发而无法处在确定的磁状态( 超顺磁限 6 】) 。因此， 必须寻找具有高各向异性的材料才能获得小尺寸的磁结构单元 1 0 】。 最近研究发现，除了传统的磁场激发，自旋极化电流也可以激发磁系统，使 其处于特定的动态模式甚至稳定的磁状态 5 1 5 6 。自旋极化电流对磁系统的磁化 作用并不是通过其产生的磁场( o e r s t e d 场) 来实现的，而是通过电子自旋与磁 矩直接相互作用来实现，称为自旋转移矩( s p i