涡旋光驱动磁斯格明子运动的理论研究

论文摘要

磁性斯格明子由于具有拓扑稳定性、尺寸小（约3至500 nm）以及超低阈值驱动力等优点而受到了广泛关注,在未来自旋电子学器件例如磁斯格明子赛道存储器和逻辑器件等具有良好的应用前景。另一方面,光以光学涡旋的形式携带和传递轨道角动量的能力也引发了诸多探索。本文利用微磁学模拟研究了在拉盖尔-高斯型涡旋光场的作用下磁斯格明子的动力学特征,对轨道角动量转移效应进行了详细分析。在此基础上结合现有电流驱动磁斯格明子的弊端以及材料缺陷的阻碍作用,提出了使用涡旋光束来操纵磁斯格明子以规避斯格明子霍尔效应的影响,并且利用涡旋光充当“光镊”翻越大尺度的缺陷从而避免被其捕获。首先,研究了在拉盖尔-高斯型涡旋光作用下磁斯格明子的动力学过程,即围绕光轴做周期性的圆周运动。这一运动的速度和涡旋光的轨道角动量量子数以及频率有直接关系:在文中所研究的磁性系统中,当光场轨道角动量量子数为+5,频率为1.5 GHz时磁斯格明子的速度达到51.8 m s-1的最大值。此外,还模拟了温度对磁斯格明子结构的影响:当温度低于200 K时磁斯格明子结构完整,超过这个温度磁结构会遭到破坏。为了证实轨道角动量转移机制的适用性,本文还探究了利用涡旋光驱动布洛赫型斯格明子以及磁泡的过程,并且发现前者依旧可以做周期性回旋运动,而后者则由于本身没有拓扑保护使得磁结构发生了不可逆的形变。其次,本文还对涡旋光场驱动磁斯格明子翻越大尺度缺陷进行了模拟,结果表明磁斯格明子可以仅用11.5 ns的时间便可以翻越缺陷且不被捕获;接着分析了点缺陷对于磁斯格明子运动的影响,发现光场系数大于1.2×10-4T m1/2时点缺陷不会影响其运动,而小于这一值时点缺陷会使磁斯格明子湮灭。在模拟的基础上,本文还提出了两种解决磁斯格明子器件化问题的思路,其一是使用涡旋光驱动的环形赛道来运输斯格明子,另一种是结合电流和光场来协同操纵磁斯格明子运动。最后,本文研究了拉盖尔-高斯型涡旋光驱动反铁磁斯格明子的运动过程。结果表明在边长为300 nm的正方形薄膜中,反铁磁斯格明子的运动速度最高可以达到1400 m s-1;同时,若将正方形薄膜替换为圆形薄膜,其运动速度可以获得进一步的提升。

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第一章绪论

1.1 研究背景

1.2 磁畴和磁畴壁

1.3 磁斯格明子研究现状

1.3.1 磁斯格明子的激发

1.3.2 驱动磁斯格明子运动的方式

1.3.3 磁斯格明子的应用

1.3.4 磁斯格明子器件的瓶颈

1.4 涡旋光的研究现状

1.5 本论文的研究内容

第二章微磁学理论基础

2.1 磁性材料中的基本能量

2.1.1 交换作用能

2.1.2 磁晶各向异性能

2.1.3 Zeeman能

2.1.4 退磁能

2.1.5 Dzyaloshinskii-Moriya相互作用能

2.2 微磁学简介

2.2.1 静态微磁学方法-Brown方程

2.2.2 动态微磁学方法-LLG方程

2.3 数值计算方法简介

2.3.1 有限差分法

2.3.2 有限元法

2.3.3 网格尺寸设置

2.4 数值求解微磁学方程的方法

2.4.1 共轭梯度方法

2.4.2 数值求解磁化强度方程

2.5 本章小结

第三章微磁学模拟软件介绍

3.1 概述

3.2 MuMax3 介绍

3.2.1 主功能界面

3.2.2 模拟方法介绍

3.3 OOMMF介绍

3.3.1 主功能界面

3.3.2 OOMMF代码中的几个主要部分

3.3.3 模拟方法介绍

3.4 本章小结

第四章涡旋光以及Thiele方程的理论计算

4.1 拉盖尔-高斯型涡旋光的理论计算

4.2 Thiele方程的理论计算

4.3 本章小结

第五章拉盖尔-高斯型涡旋光束驱动磁斯格明子的微磁学模拟

5.1 数值模型

5.2 模拟结果与讨论

5.2.1 涡旋光驱动奈尔型磁斯格明子的周期运动

5.2.2 涡旋光频率和量子数对线速度的影响

5.2.3 温度对磁斯格明子运动的影响

5.2.4 磁斯格明子翻越缺陷的模拟结果

5.2.5 磁斯格明子在管道中的运动

5.2.6 铁磁材料中的其他微磁学模拟

5.2.7 涡旋光驱动反铁磁斯格明子的运动

5.3 本章小结

第六章总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间取得的成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杨文瑞

导师: 严鹏

关键词: 磁斯格明子,相互作用,轨道角动量转移,涡旋光

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 电子科技大学

分类号: O441.2

总页数: 76

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