[论文解读] Role of Spin Diffusion in Current-Induced Domain Wall Motion

Aurélien Manchon, W. S. Kim+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2011

Magnetic properties of thin films被引用 4

一句话总结

该论文识别出一种由自旋扩散引起的扭矩，其大小与∇²[M×(u·∇)M]成正比，该扭矩显著增强了磁性纳米结构中涡旋畴壁的横向速度，而对横向（Bloch）畴壁的影响甚微。该效应源于非局域自旋输运在弯曲磁化结构中的作用，解释了实验中观测到的涡旋核心处高非绝热性（β ≈ 8–10α）现象，尤其在核心半径约为5 nm、自旋扩散长度约为0.8 nm时更为显著。

ABSTRACT

Current-induced spin torque and magnetization dynamics in the presence of spin diffusion in magnetic textures is studied theoretically. We uncover an additional torque on the form \sim{\bm abla}^2[{\bf M}x({\bf u}\cdot{\bm abla}){\bf M}], where {\bf M} is the local magnetization and {\bf u} is the direction of injected current. This torque is inversely proportional to the square of the domain wall width (\approx\frac{1}{W^2}) and strongly depends on the domain wall structure. Whereas its influence remains moderate for transverse domain walls, it can significantly increase the transverse velocity of vortex cores. Consequently, the spin diffusion can dramatically enhance the non-adiabaticity of vortex walls.

研究动机与目标

• 理解电流驱动下涡旋畴壁中非绝热性增强的起源，特别是与横向畴壁的对比。
• 研究非均匀磁性织构中的自旋扩散如何在标准绝热与非绝热模型之外贡献于自旋扭矩。
• 解决实验观测（如NiFe涡旋核心中β ≈ 8–10α）与基于弹道自旋错位理论预测之间的差异。
• 量化畴壁结构（一维与二维磁化变化）通过扩散效应调制自旋扭矩的作用。
• 重新评估从实验数据中提取β值的方法，考虑此前被忽略的自旋扩散贡献。

提出的方法

• 使用包含自旋-轨道耦合和交换相互作用的一电子哈密顿量，对磁性织构中巡游电子动力学进行理论建模。
• 利用Ehrenfest关系推导包含自旋流、自旋进动和自旋翻转弛豫项的自旋连续性方程。
• 通过横向自旋流张量和经验自旋翻转弛豫时间τ_sf引入自旋扩散。
• 通过数值求解含额外来自自旋扩散的扭矩项（∼∇²[M×(u·∇)M]）的Landau-Lifshitz-Gilbert方程。
• 比较有无自旋扩散和自旋混合阻尼（SMF）时的结果，以隔离其对畴壁速度的影响。
• 结合解析与数值方法，从速度分量（特别是涡旋核心中的v_y/v_x）计算非绝热参数β。

实验结果

研究问题

• RQ1 自旋扩散如何在电流驱动的畴壁运动中贡献于非绝热扭矩？
• RQ2 为何在涡旋核心中非绝热性β显著大于横向畴壁，尽管两者的畴壁宽度相似？
• RQ3 自旋扩散对孤立涡旋核心横向速度的定量影响是什么？
• RQ4 横向自旋扩散长度λ_ex如何影响涡旋结构中非绝热性的增强？
• RQ5 自旋扩散能否解释在NiFe涡旋核心中实验观测到的β ≈ 8–10α现象，而弹道自旋错位机制不足以解释？

主要发现

• 自旋扩散产生了一种与∇²[M×(u·∇)M]成正比的附加扭矩，其大小强烈依赖于畴壁的曲率与结构。
• 对于半径r₀ = 5 nm、λ_ex = 0.8 nm的涡旋核心，横向速度相比无自旋扩散情况增强了10倍。
• 该效应在横向（Bloch）畴壁中可忽略不计，其速度基本不受自旋扩散影响。
• 在中等尖锐的畴壁（W ~ 10 nm）中，自旋扩散对非绝热性的贡献超过弹道自旋错位，尤其在λ_ex ~ 0.8 nm的材料中更为显著。
• 在强铁磁体如FePt（λ_ex ≤ 0.5 nm）中，自旋扩散与弹道效应均被抑制，解释了窄FePt畴壁中非绝热性未增强的原因。
• 当存在自旋扩散时，传统从极角v_y/v_x提取β的方法不再成立，必须重新评估实验中的β值。