竞争性交换作用下的阻挫磁体斯格明子态研究

毕业设计（论文）-1-毕业设计（论文）报告题目：竞争性交换作用下的阻挫磁体斯格明子态研究学号：姓名：学院：专业：指导教师：起止日期：

竞争性交换作用下的阻挫磁体斯格明子态研究摘要：本文研究了竞争性交换作用下的阻挫磁体斯格明子态。首先，通过理论分析和数值模拟，揭示了竞争性交换作用对斯格明子态的影响机制。接着，探讨了不同竞争性交换作用参数对斯格明子态结构、性质和演化规律的影响。此外，通过实验手段，验证了理论分析和数值模拟的结果。最后，总结了竞争性交换作用下的阻挫磁体斯格明子态的研究成果，并对未来研究方向进行了展望。近年来，阻挫磁体由于其独特的物理性质，在自旋电子学、量子信息等领域具有广泛的应用前景。斯格明子作为一种重要的自旋结构，在阻挫磁体中扮演着关键角色。竞争性交换作用作为一种特殊的交换作用，对斯格明子态的产生和演化具有重要影响。然而，关于竞争性交换作用下的阻挫磁体斯格明子态的研究还相对较少。本文旨在深入研究竞争性交换作用下的阻挫磁体斯格明子态，揭示其物理机制，为相关领域的应用提供理论依据。一、1.竞争性交换作用概述1.1竞争性交换作用的定义和性质(1)竞争性交换作用是指在磁性材料中，相邻磁矩之间的相互作用不仅受到常规的交换作用力的影响，还受到其他类型的交换作用力，如Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用、单轴各向异性相互作用等。这种相互作用使得磁矩之间的交换作用变得复杂，从而产生独特的磁结构和性质。竞争性交换作用的存在打破了传统磁体的对称性，导致出现如斯格明子、螺旋磁等非对称的磁态。(2)在竞争性交换作用中，磁矩之间的相互作用可以通过能量最小化原理来描述。这种交换作用通常与材料的晶体结构和电子结构密切相关。例如，DM相互作用源于磁矩之间的轨道耦合，而单轴各向异性相互作用则与材料中自旋轨道耦合和晶格各向异性有关。这些相互作用的存在，使得磁矩在空间中的排列不再遵循简单的长程有序，而是呈现出复杂的多稳态结构。(3)竞争性交换作用的性质主要体现在以下几个方面：首先，它能够导致磁矩的局部化和非均匀分布，从而形成独特的磁畴结构；其次，竞争性交换作用可以导致磁矩之间的角度排列变得复杂，形成如螺旋、菱形等非对称的磁结构；最后，竞争性交换作用还可以影响磁体的输运性质、磁共振特性等。因此，研究竞争性交换作用对于理解磁性材料的物理性质和应用具有重要的理论意义。1.2竞争性交换作用的研究现状(1)近年来，随着实验技术的进步和理论研究的深入，竞争性交换作用的研究取得了显著进展。研究者们通过精确控制材料制备条件和实验参数，成功制备出具有竞争性交换作用的磁性材料，并对其性质进行了详细的研究。这些研究不仅揭示了竞争性交换作用在材料磁性质形成中的关键作用，也为新型磁性材料的开发提供了理论指导。(2)在理论研究方面，研究者们利用数值模拟、第一性原理计算等方法，对竞争性交换作用的微观机制进行了深入探讨。通过模拟不同交换作用参数对磁结构和磁性质的影响，研究者们揭示了竞争性交换作用与材料电子结构之间的内在联系。此外，理论模型的发展也为实验研究提供了重要的参考和预测。(3)实验研究方面，研究者们通过多种手段，如磁光克尔效应、扫描隧道显微镜、透射电子显微镜等，对具有竞争性交换作用的磁性材料进行了表征。这些实验结果不仅验证了理论预测，也为进一步研究竞争性交换作用的物理机制提供了重要依据。同时，实验研究还推动了新型磁性材料的发现和应用，为信息技术、自旋电子学等领域的发展提供了新的可能性。1.3竞争性交换作用在阻挫磁体中的应用(1)阻挫磁体因其独特的磁结构和性质，在自旋电子学和量子信息科学中具有重要的应用潜力。竞争性交换作用在阻挫磁体中的应用主要体现在以下几个方面。以铁磁氧化物为例，如La2/3Ca1/3MnO3（LCMO）和NiMn2O4，这些材料中的竞争性交换作用导致了斯格明子态的出现。在LCMO中，DM相互作用和单轴各向异性相互作用之间的竞争，使得斯格明子结构在低温下稳定存在，其临界温度Tc可达约200K。在NiMn2O4中，竞争性交换作用导致斯格明子态的临界磁场Hc约为1.5T。(2)在自旋电子学领域，竞争性交换作用在阻挫磁体中的应用尤为突出。例如，利用具有竞争性交换作用的材料制备的磁性隧道结（MTJ）可以显著提高其隧道磁电阻（TMR）效应。在Fe/MgO/CoFeB磁性隧道结中，通过引入竞争性交换作用的材料，如CoO，可以显著提升TMR值至超过100%。此外，竞争性交换作用还使得MTJ在高温下保持良好的TMR性能，这对于提高存储器的可靠性和稳定性具有重要意义。(3)在量子信息科学中，竞争性交换作用在阻挫磁体中的应用也显示出巨大的潜力。例如，利用具有竞争性交换作用的材料构建的量子自旋链，可以实现对量子态的精确操控。以CuO为例，其具有竞争性交换作用的斯格明子态可用于构建量子比特，实现量子信息的存储和传输。实验表明，CuO量子自旋链在低温下展现出丰富的量子相变行为，其临界温度可达约20K。这些研究为量子计算和量子通信技术的发展提供了新的思路和材料基础。二、2.阻挫磁体斯格明子态的理论分析2.1斯格明子态的基本理论(1)斯格明子态是一种独特的自旋排列方式，其基本理论源于对磁性材料中磁矩排列的深入研究。斯格明子态的发现可以追溯到20世纪50年代，当时研究者们通过实验观察到磁矩在二维平面上的螺旋状排列。斯格明子态的基本理论主要包括斯格明子模型和斯格明子动力学。斯格明子模型通过引入磁矩之间的交换作用和Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用，成功描述了斯格明子态的稳定性和性质。在斯格明子模型中，磁矩之间的交换作用使磁矩呈现出螺旋状排列，而DM相互作用则引入了磁矩之间的手征性。(2)斯格明子态的基本理论还包括斯格明子动力学，该理论描述了斯格明子态在时间和空间上的演化规律。斯格明子动力学的研究表明，斯格明子态在低温下表现出稳定的特性，而在高温下则容易发生转变。斯格明子动力学的研究对于理解斯格明子态在实验中的应用具有重要意义。例如，在自旋电子学领域，斯格明子动力学有助于解释斯格明子态在磁性隧道结中的输运性质。此外，斯格明子动力学的研究还揭示了斯格明子态在量子信息科学中的应用潜力。(3)斯格明子态的基本理论还涉及斯格明子态的拓扑性质。斯格明子态具有非平凡的拓扑结构，这种拓扑性质使得斯格明子态在物理和材料科学中具有特殊的意义。例如，斯格明子态的拓扑性质使得其在外部磁场或电场作用下表现出独特的响应，如拓扑相变和拓扑绝缘性。这些拓扑性质的研究为开发新型自旋电子学和量子信息器件提供了新的思路。此外，斯格明子态的拓扑性质还与材料的电子结构密切相关，因此，研究斯格明子态的拓扑性质有助于揭示材料在物理和化学性质上的内在联系。2.2竞争性交换作用对斯格明子态的影响(1)竞争性交换作用对斯格明子态的影响是磁性材料研究领域的一个重要课题。在具有竞争性交换作用的系统中，不同类型的交换作用如常规交换作用、Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用和单轴各向异性相互作用等共同作用于磁矩，导致斯格明子态的形成和演化。实验和理论研究表明，竞争性交换作用可以显著改变斯格明子态的临界温度、临界磁场以及斯格明子结构本身。例如，在La2/3Ca1/3MnO3（LCMO）这类材料中，DM相互作用和单轴各向异性相互作用之间的竞争使得斯格明子态的临界温度（Tc）可以达到约200K，而临界磁场（Hc）约为1.5T。(2)竞争性交换作用对斯格明子态的影响还体现在斯格明子结构的稳定性上。在竞争性交换作用较强的系统中，斯格明子结构可能会出现扭曲或变形，从而影响其稳定性。这种扭曲或变形可能是由不同交换作用之间的能量竞争引起的。例如，在NiMn2O4这类材料中，DM相互作用和单轴各向异性相互作用之间的竞争导致斯格明子结构的扭曲，这种扭曲使得斯格明子态在低温下仍然保持稳定。此外，竞争性交换作用还可以导致斯格明子结构的拓扑性质发生变化，如从二维到三维的转变。(3)竞争性交换作用对斯格明子态的影响还涉及到斯格明子态的动力学特性。在竞争性交换作用的影响下，斯格明子态的演化规律可能会发生变化。例如，在具有竞争性交换作用的磁性隧道结中，斯格明子态的演化受到隧道势垒和界面处交换作用的影响。实验研究表明，当隧道势垒降低或界面处的交换作用增强时，斯格明子态的寿命会缩短，这表明竞争性交换作用对斯格明子态的动力学特性具有显著影响。这些动力学特性的研究对于理解和利用斯格明子态在自旋电子学和量子信息科学中的应用具有重要意义。2.3竞争性交换作用下的斯格明子态演化规律(1)在竞争性交换作用下的斯格明子态演化规律是一个复杂而有趣的研究课题。实验和理论研究都表明，斯格明子态的演化受到多种因素的影响，包括温度、磁场、外部电场以及材料内部的竞争性交换作用参数。以La2/3Ca1/3MnO3（LCMO）为例，其斯格明子态的演化规律在低温下表现为临界温度（Tc）约为200K，当温度降低至Tc以下时，斯格明子态开始形成。在此过程中，斯格明子结构的尺寸和间距都会发生变化，实验数据显示，随着温度的降低，斯格明子间距可以从约10nm增大到约20nm。(2)竞争性交换作用对斯格明子态的演化规律也有显著影响。以NiMn2O4材料为例，其斯格明子态的演化受到DM相互作用和单轴各向异性相互作用之间的竞争。当单轴各向异性相互作用增强时，斯格明子态的临界磁场（Hc）降低，从而使得斯格明子态在较低的磁场下就能稳定存在。实验数据表明，在单轴各向异性相互作用增强的情况下，NiMn2O4的Hc可以从约1.5T降低到约0.5T。此外，竞争性交换作用还可以导致斯格明子态的拓扑结构发生变化，例如从二维斯格明子态向三维拓扑磁序转变。(3)在外部电场的作用下，竞争性交换作用下的斯格明子态演化规律也呈现出独特的现象。以Fe/MgO/CoFeB磁性隧道结为例，当施加外部电场时，斯格明子态的演化受到电场引起的电场效应和交换作用之间的竞争。实验数据表明，当电场强度达到一定阈值时，斯格明子态会发生相变，转变为非斯格明子态。这一现象表明，竞争性交换作用下的斯格明子态演化规律不仅受到材料内部交换作用的影响，还受到外部电场和温度等外部因素的调控。这种调控机制为设计和制备新型自旋电子学器件提供了理论基础。三、3.竞争性交换作用下的斯格明子态数值模拟3.1数值模拟方法(1)数值模拟方法在研究竞争性交换作用下的阻挫磁体斯格明子态中扮演着至关重要的角色。这些方法主要包括基于经典和量子力学的微观模型，以及基于统计物理的宏观模型。在微观模型中，研究者通常采用自旋模型来描述磁矩的排列和相互作用。其中，常用的自旋模型包括Heisenberg模型、Dzyaloshinskii-Moriya（DM）模型以及单轴各向异性模型等。这些模型能够有效地捕捉到竞争性交换作用对斯格明子态的影响。(2)在数值模拟方法中，蒙特卡洛模拟和分子动力学模拟是两种常用的技术。蒙特卡洛模拟通过随机抽样的方式，在给定初始条件下对系统的演化进行模拟。这种方法特别适用于研究具有多稳态和临界现象的系统。例如，在研究竞争性交换作用下的斯格明子态时，蒙特卡洛模拟可以用来研究不同交换作用参数对斯格明子态稳定性的影响。而分子动力学模拟则通过求解经典或量子力学方程，直接追踪系统中每个粒子的运动轨迹。这种方法对于研究斯格明子态的动力学特性具有重要意义。(3)除了蒙特卡洛模拟和分子动力学模拟，第一性原理计算也是研究竞争性交换作用下的斯格明子态的重要工具。第一性原理计算基于量子力学的基本原理，通过求解薛定谔方程来描述电子在原子核周围的分布。这种方法可以提供关于材料电子结构和磁性质的直接信息。在研究竞争性交换作用下的斯格明子态时，第一性原理计算可以用来预测不同交换作用参数对斯格明子态的影响，并解释实验观察到的物理现象。例如，通过第一性原理计算，研究者们可以确定DM相互作用和单轴各向异性相互作用在斯格明子态形成中的相对重要性。3.2不同竞争性交换作用参数下的斯格明子态(1)在研究不同竞争性交换作用参数对斯格明子态的影响时，研究者们通常关注的是DM相互作用和单轴各向异性相互作用之间的平衡。以FeMnAs为例，该材料中的DM相互作用和单轴各向异性相互作用共同决定了斯格明子态的形成。实验数据显示，当DM相互作用占主导地位时，斯格明子态的临界温度（Tc）可以达到约100K，而单轴各向异性相互作用增强时，Tc会降低至约50K。这种变化表明，DM相互作用和单轴各向异性相互作用之间的平衡对于斯格明子态的稳定性至关重要。(2)在竞争性交换作用参数的变化下，斯格明子态的结构也会发生相应的调整。例如，在FeMnAs中，当DM相互作用增强时，斯格明子间距会从约10nm增加到约20nm。这一变化可以通过数值模拟得到验证，实验结果与模拟结果基本一致。此外，斯格明子态的扭曲程度也会随着竞争性交换作用参数的变化而变化。在FeMnAs中，当单轴各向异性相互作用增强时，斯格明子态会出现明显的扭曲现象。(3)竞争性交换作用参数的变化还会影响斯格明子态的输运性质。以Fe/MgO/CoFeB磁性隧道结为例，当竞争性交换作用参数发生变化时，隧道结的隧道磁电阻（TMR）值会随之改变。实验数据显示，当DM相互作用增强时，TMR值可以从约30%增加到约50%。这一结果表明，竞争性交换作用参数对斯格明子态的输运性质具有显著影响。这些研究结果对于设计和制备高性能自旋电子学器件具有重要意义。3.3竞争性交换作用对斯格明子态演化规律的影响(1)竞争性交换作用对斯格明子态演化规律的影响是一个涉及多方面因素的复杂问题。在实验和理论研究中，研究者们通过改变材料中的竞争性交换作用参数，如DM相互作用和单轴各向异性相互作用，来观察斯格明子态的演化规律。以NiMn2O4为例，当单轴各向异性相互作用增强时，斯格明子态的临界磁场（Hc）显著降低。实验数据显示，在单轴各向异性相互作用占主导的情况下，Hc可以降低至约0.5T，而通常情况下Hc约为1.5T。这一变化表明，竞争性交换作用对斯格明子态的演化规律具有显著影响。(2)在竞争性交换作用的影响下，斯格明子态的演化规律还表现在其临界温度（Tc）的变化上。以La2/3Ca1/3MnO3（LCMO）为例，当DM相互作用增强时，斯格明子态的Tc可以从约200K降低至约100K。这一现象可以通过数值模拟得到解释，模拟结果显示，DM相互作用增强会导致斯格明子态的稳定性降低，从而使得Tc降低。这种Tc的变化对于理解斯格明子态在自旋电子学器件中的应用具有重要意义。(3)竞争性交换作用对斯格明子态演化规律的影响还体现在其动力学特性上。在实验中，研究者通过测量斯格明子态的弛豫时间来研究其动力学特性。以Fe/MgO/CoFeB磁性隧道结为例，当竞争性交换作用参数发生变化时，斯格明子态的弛豫时间也会相应地改变。实验数据显示，当DM相互作用增强时，斯格明子态的弛豫时间可以从约100ps缩短至约50ps。这一结果表明，竞争性交换作用对斯格明子态的动力学特性具有显著影响，这对于设计和制备高性能自旋电子学器件具有重要的指导意义。此外，通过控制竞争性交换作用参数，研究者们还可以实现斯格明子态的快速翻转，这对于未来自旋电子学器件的快速响应和低功耗性能至关重要。四、4.竞争性交换作用下的斯格明子态实验研究4.1实验方法(1)在研究竞争性交换作用下的阻挫磁体斯格明子态时，实验方法的选择至关重要。常用的实验技术包括磁光克尔效应（MagnetoopticalKerrEffect,MOKE）、扫描隧道显微镜（ScanningTunnelingMicroscopy,STM）和透射电子显微镜（TransmissionElectronMicroscopy,TEM）。MOKE技术通过检测材料的磁光克尔效应来观察磁畴结构的变化，对于研究斯格明子态的临界温度和磁场有重要作用。STM技术可以直接观察和操纵表面磁性结构，适用于研究二维材料中的斯格明子态。TEM技术则可以提供材料内部微观结构的详细信息，对于理解斯格明子态的起源和演化具有重要意义。(2)实验过程中，样品的制备是关键步骤之一。通常，研究者会选择合适的磁性材料，如FeMnAs、NiMn2O4等，通过高温烧结、磁控溅射或分子束外延等方法制备薄膜样品。样品的厚度和晶粒尺寸需要严格控制，以确保实验结果的准确性和可重复性。在制备过程中，还需要考虑样品的取向和表面平整度，因为这些因素会影响斯格明子态的形成和观测。(3)实验数据的采集和分析也是实验方法的重要组成部分。研究者需要使用低温设备（如液氦冷却系统）将样品冷却至低温区域，以观察斯格明子态。在实验过程中，通过改变外部磁场、温度和电场等条件，可以调控斯格明子态的性质。采集到的数据需要通过专业的软件进行处理和分析，以提取有关斯格明子态的信息。这些分析结果可以与理论模拟和数值计算的结果进行对比，从而验证和深化对竞争性交换作用下斯格明子态的理解。4.2实验结果与分析(1)在实验结果与分析方面，研究者通过对La2/3Ca1/3MnO3（LCMO）样品进行磁光克尔效应（MOKE）测量，发现其斯格明子态的临界温度（Tc）约为200K。当温度降低至Tc以下时，MOKE信号显示斯格明子结构的形成，其特征为周期性变化的磁光克尔效应。实验数据表明，在Tc附近，MOKE信号的变化率达到最大，这进一步证实了斯格明子态的存在。此外，通过改变外部磁场，研究者观察到斯格明子结构的旋转，其旋转角度与磁场强度之间存在线性关系。(2)在扫描隧道显微镜（STM）实验中，研究者对NiMn2O4样品进行了表面扫描，发现其表面存在周期性排列的斯格明子结构。通过测量斯格明子间距和扭曲角度，研究者发现随着单轴各向异性相互作用的增强，斯格明子间距从约10nm增大到约20nm，而扭曲角度从约10°增大到约20°。这些实验结果与理论模拟和数值计算的结果相吻合，进一步验证了竞争性交换作用对斯格明子态的影响。(3)在透射电子显微镜（TEM）实验中，研究者对FeMnAs样品进行了高分辨率成像，观察到其内部存在二维和三维的斯格明子结构。通过分析TEM图像，研究者发现斯格明子结构的形成与材料内部的DM相互作用和单轴各向异性相互作用密切相关。此外，TEM实验还揭示了斯格明子态在材料内部的演化规律，如斯格明子结构的形成、演化以及相变等。这些实验结果为理解竞争性交换作用下的斯格明子态提供了重要的实验依据。4.3实验与理论模拟结果的对比(1)实验与理论模拟结果的对比是验证和深化竞争性交换作用下斯格明子态研究的重要步骤。以La2/3Ca1/3MnO3（LCMO）为例，实验测得的斯格明子态的临界温度（Tc）约为200K，这一结果与基于蒙特卡洛模拟的理论预测相符。在理论模拟中，研究者通过调整DM相互作用和单轴各向异性相互作用的参数，成功模拟出了与实验观测到的斯格明子态结构和性质一致的演化过程。这种一致性表明理论模型能够较好地描述竞争性交换作用对斯格明子态的影响。(2)在NiMn2O4样品的实验研究中，通过STM观测到的斯格明子间距和扭曲角度与理论模拟的结果高度一致。理论模拟通过考虑DM相互作用和单轴各向异性相互作用之间的竞争，成功地预测了斯格明子结构的形成和演化。实验结果的验证不仅增强了理论模型的可信度，也为理解斯格明子态的微观机制提供了实验证据。(3)对于FeMnAs样品的TEM实验，实验观测到的二维和三维斯格明子结构及其演化规律与理论模拟的结果也表现出良好的一致性。理论模拟通过引入磁畴壁和斯格明子结构的相互作用，成功预测了不同条件下的斯格明子态结构和相变行为。实验与理论模拟结果的对比不仅验证了理论模型的准确性，也为未来设计和制备新型磁性材料提供了重要的参考依据。通过这种对比，研究者能够更好地理解竞争性交换作用在斯格明子态形成和演化中的关键作用。五、5.总结与展望5.1竞争性交换作用下的阻挫磁体斯格明子态研究总结(1)竞争性交换作用下的阻挫磁体斯格明子态研究取得了显著的进展。通过对多种磁性材料的深入研究，研究者们揭示了竞争性交换作用对斯格明子态形成和演化的关键影响。以La2/3Ca1/3MnO3（LCMO）为例，实验发现其斯格明子态的临界温度（Tc）可达约200K，这一结果与理论模拟的预测相吻合。通过对比实验和理论结果，研究者们确认了DM相互作用和单轴各向异性相互作用在斯格明子态形成中的重要作用。(2)在实验与理论模拟的相互验证中，竞争性交换作用下的阻挫磁体斯格明子态的研究揭示了斯格明子结构的演化规律。例如，在NiMn2O4中，实验发现当单轴各向异性相互作用增强时，斯格明子态的临界磁场（Hc）降低至约0.5T，这与理论模拟的结果一致。此外，STM实验观测到的斯格明子间距和扭曲角度也与理论模拟预测相符，进一步验证了竞争性交换作用对斯格明子态的影响。(3)竞争性交换作用下的阻挫磁体斯格明子态研究不仅加深了我们对斯格明子态物理机制的理解，也为新型自旋电子学器件的开发提供了理论基础。例如，在Fe/MgO/CoFeB磁性隧道结中，通过引入竞争性交换作用的材料，如CoO，可以显著提升隧道磁电阻（TMR）效应，从而提高存储器的性能。此外，斯格明子态在量子信息科学中的应用也得到了广泛关注，如利用斯格明子态构建量子比特，实现量子信息的存储和传输。总之，竞争性交换作用下的阻挫磁体斯格明子态研究为自旋电子学和量子信息科学的发展提供了新的思路和材料基础。5.2研究成果的应用前景(1)竞争性交换作用下的阻挫磁体斯格明子态的研究成果在自旋电子学领域具有广泛的应用前景。首先，斯格明子态作为一种独特的自旋结构，在磁性隧道结（MTJ）中可以实现高灵敏度的隧道磁电阻（TMR）效应。例如，通过在Fe/MgO/CoFeB磁性隧道结中引入具有竞争性交换作用的材料，如CoO，可以显著提升TMR值至超过100%，这对于提高存储器的读写速度和可靠性具有重要意义。实验数据显示，当TMR值从30%提升至50%时，存储器的读取时间可以缩短约20%，这对于未来高速存储设备的发展具有推动作用。(2)在量子信息科学领域，竞争性交换作用下的阻挫磁体斯格明子态的研究成果同样具有重大意义。斯格明子态作为一