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负微波驱动反铁磁畴——志存高远正少年


Z. Y. Chen, Z. R. Yan, Y.L. Zhang, M. H. Qin(秦明辉), Z. Fan, X. B. Lu, X. S. Gao and J. -M. Liu(刘俊明)


Microwave fields driven domain wall motions in antiferromagnetic nanowires


New Journal of Physics 20 (2018) 063003


近几年,反铁磁自旋电子学引起了人们越来越广泛的关注,其主要原因有二:1、 反铁磁材料无净磁矩的特性使得相应的电子学存储器件具有更强的抗干扰能力,同时对近邻的元件影响较小,使其有更高的集成度;2、反铁磁的超快动力学性质为实现更快的信息读取提供了一种新的思路。就目前而言,对反铁磁材料的研究主要体现在对单畴或畴壁的调控。

迄今,已有研究工作表明了多种调控反铁磁畴壁的可能手段,比如温度梯度场、自旋波以及奈尔场等。然而,这些调控方式都或多或少有各自的局限性。那么,是否存在可用适用于各种反铁磁材料的更为普适的驱动方式呢?比如说,微波驱动?我们将这一工作交给了当时大二学生陈志源。从这个工作想法被提出起,与时间的赛跑就开始了。在工作开展的过程中,前后受到过两次夹击,一次是90度反铁磁畴壁的微波驱动工作的报道[Appl. Phys. Lett. 109, 142404 (2016)],一次是手性反铁磁畴壁的微波驱动工作的报道[Phys. Rev. B 97, 184418 (2018)]。我们在夹缝中苦苦挣扎,幸运女神还是瞥了我们勤奋的志源同学一眼。

一般来说,恒定磁场对没有净磁矩的反铁磁畴壁的驱动是几乎没有效果的,但有理论工作表明,随时间变化的磁场可能有着完全不同的驱动特性。我们基于一个简单的反铁磁模型,用LLG模拟了微波对反铁磁畴壁的驱动行为。计算结果表明,施加关于时间不对称的磁场(直流场和交流场适当叠加)对反铁磁畴壁有很好的驱动效果,并且这一效应跟交流场的振荡频率密切相关。也就是说,均值不为零的交变磁场是可以驱动畴壁定向移动的。更为重要的是,畴壁在一定频率下突然飞奔了起来(我们称之为“共振频率”),几乎可以到百米每秒。这一结果的揭示对未来相关器件设计开发具有一定的参考价值,其背后的物理机制也一定非常奇妙!经过数月探索,志源总结了一套力矩分析法,一步步定性解释了如上结果。值得炫耀的是论文得到了审稿人(根据审稿意见判断得知该审稿人确实是该领域专家,并且不是“自己人”)的高度评价“Their report is now attacking the crucial technical huddles in emerging antiferromagnetic spintronics, and this paper is timely and certainly important in spintronics field”。在补充了一些物理图像的详细说明和修改细节之后,我们顺利拿到了论文发表的许可证。当然,在此期间陈同学物理水平的切实提高和知识积累是这个论文所不能完全反应和体现的。

话又说回来,人们之前预测奈尔场驱动畴壁运动的速度比火箭跑得还快,是微波驱动所不能及的。不过,微波驱动可以做到奈尔场做不到的事情——多畴壁驱动,这在赛道存储器里是有很大用处的。所以,尽管我们这个工作对反铁磁自旋电子学的贡献极小(ppm量级),但也从某种角度上为接下来的器件设计提供了可能算是比较有用的指导。为什么说“算是有用”呢?因为这种微波磁场的驱动手段,存在一个令所有内行人都会质疑的问题:加磁场,还是交变的磁场,一看就不好用啊!这个问题得到了很多专家的广泛质疑,合作者之一严政人同学不久前在课堂做展示报告时也被一路诘问。在这里,我们也只能期待,有朝一日微波技术蓬勃发展,使我们的工作预测得到重视和实现。

(陈志源,秦明辉撰稿)

In this work, we study the microwave field driven domain wall (DW) motion in an antiferromagnetic nanowire, using the numerical calculations based on a classical Heisenberg spin model with the biaxial magnetic anisotropy. We show that a proper combination of a static magnetic field plus an oscillating field perpendicular to the nanowire axis is sufficient to drive the DW propagation along the nanowire. More importantly, the drift velocity at the resonance frequency is comparable to that induced by temperature gradients, suggesting that microwave field can be a very promising tool to control DW motions in antiferromagnetic nanostructures. The dependences of resonance frequency and drift velocity on the static and oscillating fields, the axial anisotropy, and the damping constant are discussed in details. Furthermore, the optimal orientations of the field are also numerically determined and explained. This work provides useful information for the spin dynamics in antiferromagnetic nanostructures for spintronics applications.




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