纳米接触点的变化对磁涡旋核极性反转的控制

李化南,岳照聪,李泰锐,王思元,闫东旭

(吉林师范大学 物理学院,吉林 四平 136000)

0 引言

磁涡旋态是软磁材料中的一种稳定构型,由面内磁矩和中心磁涡旋核组成,通常在几十纳米到几微米的铁磁纳米盘中可观察到[1].纳米圆盘中的磁涡旋因在非易失性磁性随机存储器、超高密度记录材料以及纳米微波振荡器等方面的应用而受到广泛关注[2-5].减小磁涡旋核的临界反转电流密度以及降低其反转时间是磁涡旋核能够应用在磁性随机存储器上的关键技术,磁涡旋在纳米微波振荡器方面的应用优势在于其较高的频率和较窄的线宽[6-8],因此人们一直致力于这些方面的研究.极化电流通入纳米盘激发磁涡旋通常有纳米点接触和纳米柱接触两种方式,纳米点接触一般用来研究磁涡旋核的反转而纳米柱接触则主要用于研究磁涡旋的旋转运动[9-11].仅是通过增大纳米点接触的半径来减小反转的临界电流密度风险是比较大的,因为这样会大大增大焦耳热,导致磁涡旋核不稳定.因此,一般首先在盘内通入一个面内磁场,驱动磁涡旋核偏离盘中心,再通过点接触通入极化电流来激发磁涡旋,但是这样的方法在实际操作过程中很麻烦.根据一些实验方面的文献报道,纳米接触点可以被设置在盘的任意位置[12-13],因此在以前的研究工作中尝试把纳米接触点设置在偏离盘中心的位置,结果发现这样大大降低了磁涡旋核反转的临界电流密度[14-15].

然而目前还没有对纳米盘中通入不同尺寸的纳米接触点激发磁涡旋,研究不同尺寸的纳米接触点在不同位置对磁涡旋核极性反转影响方面的研究,本文致力于研究在有限尺寸的坡莫纳米盘中通入不同尺寸的纳米接触点,研究接触点的个数、尺寸以及位置对磁涡旋核反转的临界电流密度、反转时间和反转速度的影响.

1 模型和参数

本文采用微磁模拟软件OOMMF对有限尺寸坡莫纳米盘中磁涡旋的反转行为进行研究.该模拟软件是对包含了自旋转移扭矩的Laudau-Liftshitz-Gilbert方程进行计算,自旋转移扭矩的方程为TSTT=γβm(m×mp),其中β=(h/2π)PJ/(2μ0eMsL),mp是极化方向的单位矢量,γ是旋磁比,h是普朗克常量,P是极化度.图1为本次模拟计算的模型,在直径400 nm,厚度10 nm的坡莫纳米盘上,通过半径为20 nm和50 nm的纳米接触点、以点接触的方式通入垂直极化电流激发纳米盘中的磁涡旋.磁涡旋的初始状态为手征性为逆时针,用白色箭头表示,磁涡旋核朝上用红色锥体表示.模拟中的参数:饱和磁化强度Ms=8.6×105A/m,交换常数A=1.3×10-11J/m,阻尼常数为0.05,晶胞尺寸2.5×2.5×10 nm3.另外,计算也考虑了电流产生的磁场效应,电流产生的磁场用毕奥-萨伐尔定律进行了计算.

图1 模型示意图Fig.1 Schematic illustration of the model system

2 结果和讨论

2.1 单个纳米接触点在不同位置对磁涡旋核极性反转的控制

首先以纳米接触点是否在盘中心为变量,设置对照组,研究单个纳米接触点通入极化电流对磁涡旋核极性反转的控制.模拟计算分为两组:第一组设置纳米接触点坐标为(0,0),即纳米接触点在盘中心;第二组设置纳米接触点坐标为(50 nm,0),即纳米接触点不在盘中心.两组的纳米接触点半径均为50 nm.

表1列出了两组模拟计算的反转时间,表中N表示磁涡旋没有被激发,没有发生磁涡旋核的旋转回归运动.第一组仅在电流密度为16×1011A/m2时才会反转,但第二组在电流密度达到12×1011A/m2时就可以发生反转,且电流密度都为16×1011A/m2时,第二组反转所用时间要远小于第一组.从表1可以看出,纳米接触点如果被设置在偏离盘中心的位置,不仅会减小磁涡旋核的临界反转电流密度,也会降低其反转时间.

表1 位置不同的接触点在电流密度为12×1011～16×1011 A/m2时的反转时间

2.2 两个不同尺寸的纳米接触点在不同位置对磁涡旋核反转的控制

从表1中可以得到这样的结论:即纳米接触点如果被设置在偏离盘中心位置是有利于激发磁涡旋的,那么接下来要讨论纳米接触点的个数对磁涡旋核极性反转的影响.首先把半径为50 nm的接触点P1设置在(50 nm,0)位置,为了节约能源,第二个接触点半径选择20 nm.P2被设置在x轴上,具体坐标可见图2.

图2 P1坐标固定为(50 nm,0)、P2位置变化时,磁涡旋核的反转时间(A)和磁涡旋核的反转速度(B)

从图2(A)中可以看出,适当设置第二个接触点P2的位置也可以减小临界反转电流密度,把P2设置在(-50 nm,0),磁涡旋核反转的临界电流密度由12×1011A/m2减小到10×1011A/m2.在图中还可以观察到磁涡旋核反转时间随着电流密度的增加而减小.同时也观察到当电流密度一定时,P2离P1越远其反转时间越长.图2(B)显示的是P2在不同位置时,磁涡旋核反转速度的变化.随着极化电流的通入,磁涡旋核的运动速度随着时间的增加而增大,当其速度达到一定值时磁涡旋核发生反转,反转后其速度快速下降回到纳米盘中央.值得注意的是,不管纳米接触点在什么位置,磁涡旋核反转速度几乎是不变的,都要达到342 m/s才能够发生反转,从该图也可以看出,纳米接触点的位置和数量并不能改变磁涡旋的反转速度.

接下来研究将P2位置固定、改变P1的位置,探究纳米接触点半径大的接触点位置改变对磁涡旋核反转的控制.对比图2(A)和图3(A)可以看出,改变纳米接触点半径大的对磁涡旋核反转的反转时间和临界反转电流密度影响都很大.首先可以看出,当P1离盘中心比较近时,例如P1的坐标为(0,0)和(50 nm,0)时,磁涡旋核反转的临界电路密度比较大,当J达到12×1011A/m2才发生反转.当P1被设置在(100 nm,0)和(150 nm,0)时,其反转的临界电流密度可以下降到10×1011A/m2.接下来再分析反转时间,当P1为(0,0)时,磁涡旋核反转时间随电流密度增加减小得比较明显,P1在其他位置时虽然反转时间也随电流密度的增加而减小,但是电流密度的变化对反转时间的影响没有P1在盘中心时那么明显.同样可以看出P1的坐标越远,越能减小磁涡旋核反转的电流密度.值得一提的是,P1的坐标发生变化,其反转时间相差比较大,以J=14×1011A/m2为例,当P2坐标发生变化时(见图2(A)),磁涡旋核反转时间都大约在3.5 ns,而当P1坐标发生变化时,磁涡旋核反转时间却在1.5～5.5 ns之间发生变化.接下来再分析P1位置改变对磁涡旋核反转速度的影响.从图3(B)中可以看出,磁涡旋核速度只有达到340 m/s时磁涡旋核才能够发生反转,只不过达到该数值的时间差别比较大,这个结果和图3(A)也是自洽的.

图3 P2坐标固定为(-100 nm,0)、P1位置变化时,磁涡旋核的反转时间(A)和磁涡旋核的反转速度(B)

3 结论

通过微磁模拟软件OOMMF研究了极化电流驱动下磁涡旋核的反转动力学行为.极化电流通过纳米点接触方式通入纳米盘激发磁涡旋,模拟计算显示纳米接触点的位置对磁涡旋核反转的临界电流密度和反转时间有较大影响.两个纳米接触点存在时,改变半径大的纳米接触点对磁涡旋核极性反转的影响更大.