三维曲面纳米磁性结构中自旋动力学的微磁学研究

Spin dynamics is an important branch of the emerging Spintronics, aiming to understand the evolution of the local magnetization in magnetic nanostructures. The study in spin dynamics will help to achieve the manipulation of the spin structures in magnetic samples and therefore develop the new-generation of magnetic functional devices. With the new development in theoretical study and the improvement of the fabrication technique, it becomes a trend to extend the traditional two-dimensional magnetic nanostructures to three-dimensional ones. It is expected that the geometric curvature and topology brought in by the three-dimensionality can significantly affect the magnetic properties. As shown by previous studies, indeed, curved magnetic nanostructures acquire many novel effects in both the static and dynamic aspect, for instance, the curvature-stabilized magnetic Skyrmions in ferromagnetic shells and the broken chiral symmetry of spin dynamics in magnetic nanotubes. Micromagnetics, which can numerically simulate the time evolution of the magnetization in magnetic samples, provides a powerful theoretical tool to study the spin dynamics in ferromagnetic nanostructures, especially suitable for three-dimensional ones with complex shapes. The proposed project will study the dynamical properties of magnetization in complex nanostructures by performing fully three-dimensional micromagnetic simulations, aiming to deepen the understanding of the curvature effect in magnetism. From an application point of view, this study may help to look for potential materials useful for the development of new Spintronic devices.

自旋动力学是新兴的自旋电子学领域的重要分支，其研究对于理解纳米磁性材料中局域磁化强度的演化规律，实现自旋结构的人为操控，并在此基础上发展新一代磁性功能器件具有重要意义。随着理论研究的深入及实验手段的进步，纳米磁性材料由传统的二维结构向三维结构拓展。已有研究表明，三维磁性结构特有的几何曲率及拓扑学性质可导致自旋稳恒态及自旋动力学方面的奇异效应，如磁性纳米球壳上斯格明子的生成及磁性纳米管中磁矩动力学的手征对称性破缺等。微磁学理论可通过数值方法模拟铁磁样品中磁化强度的时间演化，是研究铁磁纳米结构中自旋动力学的有力工具，尤其适合于具有复杂形状的三维结构。该课题将通过微磁学模拟研究具有曲面形状的铁磁纳米结构中的自旋动力学特性，加深对于磁学中几何形状效应的理解，从而为寻找具有潜在应用价值的三维磁性纳米材料，发展新的自旋电子学器件打下理论基础。

三维铁磁纳米结构中的自旋动力学是自旋电子学领域的重要研究内容，对于理解纳米磁性材料磁化状态的时间演化、磁矩动力学新效应及发展新一代自旋电子学器件具有重要意义。本课题主要通过微磁学模拟的方法研究三维曲面纳米磁性材料中的磁矩动力学。以往研究表明，磁性样品的三维形状，尤其是表面曲率对于磁矩动力学，如畴壁移动、自旋波传播等动力学过程具有显著影响，可以导致在平面磁性薄膜中不存在的新奇动力学效应，如拓扑保护、手征对称性破缺等，对于发展未来的新概念自旋电子学器件具有潜在应用价值。..本课题的主要工作是研究了圆柱形铁磁纳米管和纳米线中自旋波的传播性质，主要成果是发现了所谓的自旋波的类旋光效应。手性是自然界的重要属性之一，手征对称性或破缺在物理学、化学、生物学及医药学中都具有重要作用。旋光性是光学中的一个基本效应，指的是线偏振光在通过某些具有所谓旋光性的物质时，其偏振方向在传播过程中发生连续旋转的现象。取决于旋光材料的不同，偏振面的旋转可以是左旋或右旋。著名科学家巴斯德在研究旋光效应的过程中发现了化合物的同分异构现象，从而直接导致了立体化学的诞生并引发了长久以来人们对于自然界中手性起源的探索。我们的研究发现当自旋波在沿轴向磁化的圆柱形纳米管或纳米线中传播时，在方位角方向形成的驻波波节或波腹也会在传播过程中产生连续旋转。这一现象与电磁波的旋光效应完美类似，因此我们命名为自旋波的类旋光效应。在对旋光效应的解释中，菲涅尔提出了以其名字命名的模型，该模型认为当线偏振光在旋光性物质中传播时，其组成部分，即左旋偏振光和右旋偏振光具有不同的传播速度。我们的研究表明，该模型也可解释自旋波的类旋光效应，即在圆柱形纳米管或纳米线中，自旋波的左旋本征模和右旋本征模具有不同的色散关系和传播速度。分析表明，该手征性对称破缺起源于纳米管的表面曲率，是一个纯粹的几何效应。该效应有望应用于磁性传感器及磁振子学器件的设计。