[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究通过解析与数值方法，分析并研究了在横向磁场作用下，铁磁纳米带中电流驱动与场驱动的横向Néel型畴壁运动，采用包含自旋转移力矩的Landau-Lifshitz-Gilbert方程。关键发现为：横向磁场显著提升了场驱动情形下的饱和速度——当磁场从0 Oe增至400 Oe时，速度由857 m/s提升至2666 m/s；而在电流驱动情形下，其影响可忽略不计。

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.

研究动机与目标

• 理解在电流、驱动力场及横向磁场共同作用下，铁磁纳米带中横向Néel型畴壁的动力学行为。
• 解决在存在横向磁场时，对电流驱动与场驱动畴壁运动缺乏系统性解析研究的问题。
• 基于小角度近似与Walker的试探函数，推导出畴壁参数（如速度、宽度、激发角与位移）的解析表达式。
• 通过数值模拟验证解析结果，并评估横向磁场在不同驱动模式下对饱和速度的影响。

提出的方法

• 在球坐标系中建立包含绝热与非绝热自旋转移力矩的铁磁纳米带的Landau-Lifshitz-Gilbert（LLG）方程。
• 应用Walker的试探函数与小角度近似，将畴壁激发角的动力学方程简化为Riccati型方程。
• 解析求解Riccati方程，推导出畴壁的速度、宽度、激发角与位移的表达式。
• 采用LLG方程进行数值模拟，验证不同电流、驱动力场与横向磁场强度下的解析预测结果。
• 系统比较不同电流与驱动力场方向配置（平行与反平行）下的解析与数值结果。
• 研究横向磁场在电流驱动与场驱动条件下对畴壁宽度、速度与稳定性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 横向磁场如何影响电流驱动的横向Néel型畴壁的饱和速度？
• RQ2 横向磁场对场驱动的横向Néel型畴壁的饱和速度有何影响？
• RQ3 在存在横向磁场时，电流与驱动力场方向（平行与反平行）如何影响饱和速度？
• RQ4 基于小角度近似与Walker试探函数的解析解，在多大程度上能准确预测畴壁动力学，相较于数值模拟？
• RQ5 在自旋转移力矩与外场存在的情况下，横向磁场如何改变畴壁宽度与激发角？

主要发现

• 在场驱动情形下，横向磁场使饱和速度最高提升至2.1倍，当横向磁场从0 Oe增至400 Oe时，速度由857 m/s提升至2666 m/s。
• 在电流驱动情形下，随着横向磁场增强，饱和速度基本保持不变，表明该情形下无显著提升。
• 畴壁的初始速度由绝热自旋转移力矩控制，而饱和速度则由非绝热自旋转移力矩与驱动力场共同决定。
• 激发角、速度、宽度与位移的解析解与数值结果高度吻合，验证了小角度近似与Walker试探函数方法的有效性。
• 当驱动力场与电流方向为反平行时，无论横向磁场强度如何，饱和速度均高于平行情形。
• 横向磁场增加了畴壁宽度，并引起不对称性与扭曲，尤其在场驱动情形下表现明显；但在电流驱动情形下，不改变饱和速度。