[論文レビュー] Dynamics of Current and Field Driven Domain Wall Motion under the Influence of Transverse Magnetic Field

R. Arun, P. Sabareesan+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2015

Magnetic properties of thin films被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、スピン転送トルクを含むランダウ＝リフシッツ＝ギルバート方程式を用いて、横磁場下におけるフェリ磁性ナノストリップ内の電流および磁場駆動型横ネールドメインウォール運動を、解析的および数値的に調査した。主な発見は、横磁場が磁場駆動型の状況において飽和速度を顕著に向上させることであり、磁場が 0 から 400 Oe に上昇するに従い、速度が 857 m/s から 2666 m/s に増加した。一方、電流駆動型の状況では、横磁場の影響はほとんど無視できる程度であった。

ABSTRACT

The dynamics of transverse Neel domain wall in a ferromagnetic nanostrip in the presence of driving field, current and transverse magnetic field is investigated by the Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG) equation with the adiabatic and non-adiabatic spin-transfer torques both analytically and numerically. The analytical expressions for the velocity, width, excitation angle and displacement for the domain wall are obtained by using small angle approximation along with Walkers trial function. The results show that the initial velocity of the domain wall can be controlled by the adiabatic spin-transfer torque and the saturated velocity can be controlled by the non-adiabatic spin-transfer torque and driving field. The large increase in the saturated velocity of the domain wall driven by current and field due to the transverse magnetic field is identified through the presence of driving field. There is no impact in the saturated velocity of the domain wall driven by current from the transverse magnetic field. For the domain wall driven by the current in the presence of the transverse magnetic field, the saturated velocity remains constant. The transverse magnetic field along with current and driving field is more advantageous that the transverse magnetic field along with current for increasing the saturated velocity of the domain wall. The numerical results showed that the saturated velocity is increased by the transverse magnetic field with the irrespective of the directions of the driving field and current further it is higher and lower when the directions of driving field and current are antiparallel and parallel respectively. The obtained analytical solutions are closely coincided with the computed numerical results.

研究の動機と目的

• 電流、駆動磁場、および横磁場が同時に作用するフェリ磁性ナノストリップ内における横ネールドメインウォールのダイナミクスを理解すること。
• 横磁場が存在する中での電流および磁場駆動型ドメインウォール運動に関する体系的な解析的研究の不足を解消すること。
• 小角度近似とウォーカーの試行関数を用いて、ドメインウォールのパラメータ（速度、幅、励振角、変位）の解析的式を導出すること。
• 解析的結果を数値シミュレーションと比較し、横磁場が異なる駆動領域における飽和速度に与える影響を評価すること。

提案手法

• アディアバティックおよび非アディアバティックスピン転送トルクを含むフェリ磁性ナノストリップのランダウ＝リフシッツ＝ギルバート（LLG）方程式を球座標系で定式化した。
• ウォーカーの試行関数と小角度近似を適用し、ドメインウォールの励振角に関する力学的方程式をリッカティ型方程式に簡略化した。
• リッカティ方程式を解析的に解き、ドメインウォールの速度、幅、励振角、変位の式を導出した。
• LLG方程式を用いた数値シミュレーションを実施し、異なる電流、駆動磁場、および横磁場強度における解析的予測の妥当性を検証した。
• 電流と駆動磁場の向き（平行対比反平行）の異なる設定において、解析的および数値的結果を体系的に比較した。
• 電流駆動および磁場駆動条件下でのドメインウォール幅、速度、安定性に及ぼす横磁場の影響を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 横磁場は、電流駆動型の横ネールドメインウォールの飽和速度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 横磁場は、磁場駆動型の横ネールドメインウォールの飽和速度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 電流と駆動磁場の向き（平行対比反平行）が、横磁場の存在下での飽和速度に与える影響は何か？
• RQ4 小角度近似とウォーカーの試行関数に基づく解析的解は、数値シミュレーションと比較して、ドメインウォールダイナミクスをどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 スピン転送トルクおよび外部磁場が存在する中で、横磁場はドメインウォールの幅および励振角をどのように変化させるか？

主な発見

• 横磁場が存在する場合、磁場駆動型ドメインウォールの飽和速度は最大で 2.1 倍に増加し、横磁場が 0 Oe から 400 Oe に上昇するに従い、速度は 857 m/s から 2666 m/s に上昇した。
• 電流駆動型ドメインウォールでは、横磁場の増加に伴って飽和速度に顕著な変化が見られず、この領域では顕著な向上効果がないことが示された。
• ドメインウォールの初期速度はアディアバティックスピン転送トルクによって制御可能であり、一方、飽和速度は非アディアバティックスピン転送トルクおよび駆動磁場によって支配される。
• 励振角、速度、幅、変位に関する解析的解は、数値結果と極めてよく一致しており、小角度近似およびウォーカーの試行関数の有効性が裏付けられた。
• 駆動磁場と電流が反平行である場合、横磁場の強度に関わらず、平行である場合よりも飽和速度が高くなることが確認された。
• 横磁場はドメインウォールの幅を増加させ、特に磁場駆動型の状況において非対称性およびねじれを誘発するが、電流駆動型の状況では飽和速度に影響を及ぼさない。