磁子自旋流驱动的畴壁动力学研究

Recently, the investigation of the domain wall motion in nanowire induced by the spin-polarized electrical current and the related spintronic devices has been advanced greatly. But the excessively high critical current density and the corresponding Joule heating are still bottlenecks for the domain-wall based spintronic devices. Based on the latest discoveries in this field, we propose in this project that the noncharge-based spin current, magnonic spin current, can be used to manipulate the domain wall dynamics. Theoretically, based on the rational model, we will study the mechanism of the interaction between the magnonic spin current and the domain wall in the framework of quantum field theory, derive the action expressions and establish theoretical models for the wall motion. By micromagnetic simulations and theoretical analysis, we will investigate the characteristics of magnonic spin current-induced wall motion. Experimentally, we will prepare the nanowires and nanowire devices for the measurements of the domain wall motion，and investigate the propagation of domain wall in nanowire by using the electrical measurement as well as the time-resolved and spatial-resolved MOKE technique. Based on the theoretical and experimental results obtained in this project, we will get a better understanding about the micro-mechanism and the features of domain wall motion induced by the magnonic spin current, gain the first-hand experimental data and provide guidance for designing the all-magnonic spin devices. Besides, the investigations carried out in this project may lead to a discovery of new physical phenomenon.

自旋极化电流驱动纳米线中畴壁的运动以及相关器件的研究近年来取得了很大进展，然而过高的临界电流密度以及电流产生的焦耳热是影响畴壁自旋电子器件实用化的重要因素之一。本项目依据最新的研究发现，提出采用非电荷输运的自旋流?-磁子自旋流来操控纳米线中畴壁的运动。在理论上，基于合理的模型，采用量子场论方法研究磁子自旋流与畴壁相互作用的微观机理，导出相应作用量的表达式，建立畴壁运动的理论模型，通过理论模型分析和微磁学模拟得到畴壁在磁子自旋流驱动下的运动规律。在实验上，制备出纳米线及相关的用于畴壁测试的纳米线器件，通过电测量方法和时间分辨、空间分辨的磁光克尔技术研究畴壁在磁子自旋流驱动下的运动。通过本项目的研究将充分认识磁子自旋流驱动畴壁运动的微观机理，掌握畴壁运动的规律，得到第一手的实验数据，为开发全磁子畴壁自旋器件提供依据。对上述问题的研究还可能发现新的物理现象。

自旋极化电流驱动畴壁运动及相关器件的研究近年来取得了很大进展，然而过高的临界电流密度以及电流产生的焦耳热是一个未解决的关键问题。本项目提出采用非电荷输运的自旋流 - 磁子自旋流来操控畴壁，从理论和实验两个方面研究了纳米线中畴壁的动力学性质和磁子自旋流驱动的畴壁运动。主要研究内容有：（1）畴壁的本征磁动力学性质；（2）自旋波（磁子流）的传播以及磁子自旋流与畴壁的相互作用；（3）纳米线畴壁器件的制备，畴壁的注入、钉扎与退钉扎以及动力学性质的测量；（4）畴壁在自旋流驱动下的运动。重要结果有：（1）由于边界受限，纳米线中的畴壁具有一系列量子化的本征振荡模式，如边缘模式、中心模式、厚度振荡模式以及高阶的量子化厚度模式等。（2）通过引入一个动态的偶极散射势阱，很好的描述了自旋波在畴壁中传播特性。提出了一种新型的可重构的磁子晶体－畴壁磁子晶体，这种磁子晶体可实现动态甚至是纳秒量级的超快调控。（3）制备了纳米线畴壁器件和纳米线磁子晶体，测量了畴壁的钉扎与退钉扎、畴壁的本征振荡模式，测量到了纳米线磁子晶体的自旋波模式。结合理论模拟分析了畴壁本征模式和磁子晶体自旋波模式的性质。（4）搞清楚了磁子自旋流与畴壁相互作用的物理机制，提出了磁子动量转移力矩机制。给出了磁子自旋转移力矩、动量转移力矩和其它两种与畴壁振荡相关力矩的解析表达式。建立了畴壁在磁子自旋流驱动下的动力学方程。（5）提出了一种驱动畴壁运动的新机制，即射频场辅助的自旋转移力矩驱动的畴壁运动，这种方式可有效降低临界电流密度。（6）提出了一种产生高频磁子自旋流的新方法，即在具有较强磁-电耦合铁磁绝缘体（如YIG）中可通过梯度电场来产生磁子自旋流。上述研究结果对充分认识畴壁的动力学性质以及磁子自旋流与畴壁的相互作用具有重要的科学意义，也为研制畴壁自旋器件提供依据。