磁性Skyrmion的物理性质和人工操控

【摘要】Skyrmion在手征磁性材料中的发现为我们带来了很多机遇和挑战。一方面,Skyrmion可以作为新型自旋电子学器件中的基本信息存储单元。为了实现这个目的,我们需要发展出一套具体的实验手段用以生成、移动、和激发Skyrmion。另一方面,手征磁体作为一个具体的凝聚态物理系统,可以用来示范拓扑结构和材料内部的基本元激发,以及外加电磁场之间的耦合和相互作用。这有助于我们对微观世界的理解,也是TonySkyrme发明Skyrmion之初的本意。近年来,人们在上述两个方面都取得了突破性的进展。本论文主要从理论上研究Skyrmion在手征磁性系统中的热力学和动力学性质。在第一章中,我们将介绍磁性Skyrmion物理的基本发展脉络,之后的章节将详细介绍我们在这方面所取得的科研成果,具体如下：在第二章中,我们提出可以描述手征磁体的唯象模型：倾翘海森堡模型。此模型在连续化极限下的磁动力学方程是带有非阿贝尔规范场的Landau-Lifshitz方程,它可以统一描述手征磁体中出现的各种磁序。对于一个确定的规范场,我们得到了规范Landau-Lifshitz方程的双周期解,这个解在不同情况下可以分别退化到螺旋序、摆线型序、锥型序、和铁磁序。对于另一个规范场,我们推导出了Skyrmion晶体解,并通过数值模拟得到一种由“部分Skyrmion”组成的晶体结构,很类似于实验上在单层铁原子中观察到的磁序。和通常的Dzyaloshinski-Moriya模型不同的是,在通过我们的模型计算得到的温度-磁场相图中,Skyrmion晶体序占有更大的比率。在第三章中,我们提出一种由磁交换强度的局域极大值诱导Skyrmion钉扎的物理机制,其中交换强度的极大值可以通过人工调节局域传导电子的密度来实现。我们主要研究了孤立的Skyrmion在钉扎中心附近的静态性质和钉扎、解钉扎的动态性质。通过数值模拟Landau-Lifshitz方程,我们设计了在周期排列的钉扎中心格子中用外加电流脉冲精确操控Skyrmion的方案。我们还发现,Skyrmion的解钉扎需要临界电流,大小在107-108A·m-2数量级,并且和钉扎深度成正比。我们的数值模拟结果通过宏观的Thiele理论分析得到了很好的验证。在第四章中,我们研究多铁性手征磁体Cu2OSeO3的磁电响应性质。我们发现此材料中的Skyrmion由于多铁性而诱导出的电偶极矩会和外加电场梯度耦合,从而发生Skyrmion垂直电场梯度方向的Hall运动,有限大的Gilbert耗散则会导致Skyrmiou沿电场梯度方向的运动分量。在由多个Skyrmion组成的条带中,Skyrmion之间的相互作用会造成Hall运动速度的减小。外加的交变电场则可以激发出Skyrmion丰富的内秉模式。另一方面,通过结合MonteCarlo模拟和Ginzburg-Landau理论,我们计算了Cu2OSeO3材料的热力学磁电导率,并发现对于所有的非共线磁序,磁电导率都随外加磁场呈线性变化。在相变边界处,磁电导率具有明显的变化,这说明计算和测量磁电导率可以作为探测多铁性手征磁体热力学相变的有力手段。
【作者】刘冶华；
【导师】李有泉；
【作者基本信息】浙江大学，理论物理，2014，博士
【关键词】Skyrmion；拓扑；手征磁体；规范场；钉扎；磁电响应；人工操控；

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