بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش چگونگی تشکیل و دینامیک نوعی از امواج سالیتونی اسپینی موسوم به دراپلت مغناطیسی سالیتونی در ساختار های دریچه اسپینی با ناهمسانگردی مغناطیسی عمود به صفحه بر پایه معادله×دینامیک مغناطش بررسی شده است. شبیه سازی عددی تشکیل این نوع امواج مغناطیسی با استفاده شرایط مرزی تشکیل دراپلت مغناطیسی سالیتونی در محیط MuMax انجام گردید و دینامیک مولفه های مغناطش شبیه سازی شده پس از تشکیل این امواج مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج شبیه سازی موید تشکیل دراپلت مغناطیسی سالیتونی و نوسان دراپلت مغناطیسی سالیتونی در فرکانسی پایین تر از فرکانس تشدید فرومغناطیس است که با گزارشات نظری تطابق خوبی دارد. نتایج به دست آمده در این گزارش دارای کاربرد در حوزه اسپینترونیک و ادوات مگنونیکی همچون سیستم های مخابرات مگنونی است.
مقدمه
انتشار و بهره گیری از امواج اسپینی1 در ساختار های مغناطیسی به جهت کاربرد در پردازش و انتقال اطلاعات، الکترونیک سریع خصوصا به دلیل انتشار بدون اتلاف اهمی آنها در مواد
فرومغناطیس، در چند سال گذشته توجهات ویژه ای را به خود اختصاص داده است . [1] یکی از المان های مهم در این زمینه،نانو نوسانگرهای گشتاور اسپنی در ساختار های دریچه اسپینی می
باشد که با بهره گیری از جریان DC و به صورت کنترل پذیر،میتوان امواج اسپینی را تولید، کنترل و از آنها در کابردهای مخابراتی استفاده نمود.تحریک ناشی از گشتاور انتقالی اسپینی - STT - 2 در سیستم های مغناطیسی به دلیل خواص جالب برای فناوری های نوین کابردهای بسیاری پیدا کرده است به طوری که تا کنون امواج اسپینی متفاوتی همچون امواج انتشاری [2] ، امواج سالیتونی ایستا موسوم به بولت [3] و امواج گردابی[4] مشاهده و گزارش شده است.
دارپلت مغناطیسی سالیتونی نوعی از امواج سالیتونی است که در ساختارهای دریچه اسپینی با ناهمسانگردی عمود به صفحه بهوجود می آید.[5] به صورت بنیادی، STT را به دو صورت می
توان مشاهده کرد : - 1 جریان اسپین پلاریزه شده ای که از یکلایه نازک فرومغناطیس عبور میکند و روی ممان های مغناطیسیلایه گشتاور اسپینی ایجاد میکند - 2 شارش جریان اسپین پلاریزه از یک لایه فرومغناطیس به لایه دوم فرومغناطیس و ایجاد نوعاول STT در ساختارهای دریچه مغناطیسی و یا پیوندهای تونلیمغناطیسی.[6] دریچه های اسپینی که ساختار مورد مطالعه در اینپژوهش است، از دو لایه مغناطیسی و یک لایه میانی غیر مغناطیسی فلزی تشکیل شده است. یکی از لایه های فرومغناطیسیبا استفاده از همجواری یک لایه با داشتن میدان وادارندگی زیادتر به عنوان لایه ثابت - Fixed Layer - در نظر گرفته میشود کهجریان مستقیم - DC - را اسپین پلاریزه میکند.
لایه دوم مغناطیسیموسوم به لایه آزاد - Free Layer - است که در آن به واسطهشارش الکترونهای اسپین پلاریزه در لایه ثابت، STT ایجاد می-شود. برای ایجاد یک چگالی جریان زیاد با استفاده از تکنیک های نانوفناوری، یک نانو اتصال 3 - NC - در ساختار ایجاد میشود. با عبور جریان الکترونی اسپین پلاریزه از لایه ثابت به لایه آزاد ، بهدلیل بار منفی الکترون جهت جریان -z است ،از طریق نانو اتصالو به دلیل ایجاد گشتاور اسپینی یک حرکت نوسانی در لایه آزاد ایجاد میشود[1] میدان خارجی در جهت +z است .با استفاده از مواد مغناطیسی با ناهمسانگردی مغناطیسی عمودبه صفحه در لایه آزاد میتوان علاوه بر ایجاد نوسان دراپلت هایمغناطیسی سالیتونی را ایجاد کرد.[5]
دراپلت مغناطیسی اولین باردر سال 1970 به عنوان امواج اسپینی قطره گونه پیش بینی شد ودر سال 2010 توسط مارک هوفر به صورت تئوری کاملا مطالعه شد.[5] دراپلت مغناطیسی در سال 2013 برای اولین بار توسطمحسنی مشاهد شد.[7] ما در اینجا با استفاده از شبیه سازیمیکرو مغناطیسی، چگونگی تشکیل دراپلت در دریچه ها اسپینی باناهمسانگردی مغناطیسی عمود به صفحه را با استفاده از نرم افرار متن باز MUMAX3 بررسی میکنیم.دراپلت یک مد دو بعدی غیرتوپولوژیکی است که به دلیل گشتاور ایجاد شده توسط STT در جهت عکس میرایی گیلبرت در شرایطتعادل شده بهره - - STT - اتلاف - میرایی گیلبرت - در محدودهنانواتصال به وجود میآید. در ناحیه تشکیل دراپلت، مغناطشنانواتصال در لایه آزاد کاملا معکوس شده و حول این ناحیه نیز مغناطش نوسان میکند - شکل . - 1 این مرز ها سایز دراپلت را مشخص میکند. تشکیل دراپلت طی یک فرآیند دینامیکی غیر خطی پیچده است، که می توان این ویژگی پیچده را با شبیه سازیمیکرومغناطیسی مطالعه کرد.
تئوری
با استفاده از معادله لاندائوشیفتز گیلبرت اسلونچوسکی - معادله - 1 چگونگی تشکیل دراپلت را توضیح میدهیم .[5] جمله اول این معادله ترم نوسانی لارمور است که بیان میکند وقتی یک دوقطبی مغناطیسی با مغناطش M در یک میدان H قرا می-گیرد با فرکانس ثابت حول میدان خارجی نوسان میکند . جمله دوم سوق دو قطبی مغناطیسی را به سمت هم راستا شدن با میدان خارجی را به دلیل وجود میرایی ذاتی موسوم به میرایی گیلبرت توضیح میدهد .جمله اخرین - اسلونزفسکی - اثر جریان پلاریزهشده توسط لایه ثابت در لایه آزاد را توضیح میدهد. دو جمله اخردر این معادله هم راستا هستند. در واقع جمله سوم مکانیسم میراییمغناطیسی را به نسبت مقدار و علامت تحت تاثیر قرار میدهد .
اگر هم علامت با جمله دوم باشد سرعت میرایی در جهت میدان را افزایش میدهد . اگر هم اندازه و با علامت مخالف این جملهباشد، دو قطبی فقط با فرکانس لارمور حول میدان خارجی نوسانمیکند و اگر اندازه جمله سوم بیشتر و مخالف جمله دوم باشد ،میرایی نه تنها از بین میرود بلکه دو قطبی تمایل به چرخش حولمخالف میدان خارجی را پیدا میکند . در اینجا مغناطش به خاطرناهمسانگردی عمود به صفحه، تمایل بیشتری به معکوس شدن کامل نسبت به میدان خارجی دارد.که در این معادله ضریب ژیرومغناطیسی وبه ترتیب بردار های نرمالیزه مغناطشآزاد و ثابت هستند، ضریب میرایی گیلبرت و یک ضریب بی بعد، که در آن ثابت کاهش یافته پلانک، جریان پلاریزه شده، پلاریزسیون،ضریب تقارنی گشتاور اسپینی، ضریب نفوذ پذیری خلاء، مغناطش اشباع ، بار الکترون و حجم لایه آزاد است.
اشباع ، ضریب تبادلی . جریانپلاریزه شده که از لایه ثابت و در راستای عمود به لایه آزادگشتاور وارد میکند تقارن گشتاور اسپینی 1,1 و برای راحتی کارضریب پلاریزاسیون را یک گرفتیم . شبیه سازی ما در غیابتغییرات دمایی در نظر گرفته شده است .اندازه نمونه 1000×1000×5nm است . برای اینکه نیرویتبادلی را در شبیه سازی بدون خطا در نظر گرفته باشیم باید اندازهسایز سلول های کمتر از فاصله موثر نیروی تبادلی بگیریم. به همین خاطر اندازه سلول را 5×5×5nm در نظر می-گیریم. اندازه قطر نانو اتصال را 50nm در نظر میگیریم. مدت
زمان شبیه سازی در گام هایی با فاصله 0.2ps تا 2ns صورت گرفته است.همانطور که در شکل - 3 - قابل مشاهده است، مولفه عمودمغناطش - Mz - نانواتصال کاملا برعکس شده است که نشان دهندهتشکیل دراپلت مغناطیسی است.
شبیه سازی
سیستم مورد مطالعه در این پژوهش مطابق شکل 1 ،یکدریچه اسپینی با ساختار کبالت/مس/کبالت -نیکل میباشد که کبالت و کبالت-نیکل به ترتیب لایه ثابت و آزاد به دلیل تفاوت ویژگی های مغناطیسی هستند. شبیه سازی با نرم افراز متن باز[8] MUMAX3در لایه آزاد صورت پذیرفت و مبنایمحاسبات بر پایه روش Runge-Kutta انجام شد.میدان مغناطیسی موثر از میدان های تبادلی،دیامغناطشی، ناهمسانگردی و میدان خارجی عمود به صفحهتشکیل شده است. میدان اورستدی که از جریانناشی شده، را با تقریب یک استوانه بینهایت در نظر گرفته ایم. دراینجا خواص چندلایه های کبالت/ نیکل را در نظر گرفته ایم که عبارت است از :[7] ضخامت 5nm، ضریب میرایی گیلبرت: 0.05، ناهمسانگردی مغناطیسی عمود: ، مغناطشهمچنین شکل 3 مولفه نوسانی مغناطش را نشان میدهد که با انجام تبدیل فوریه - شکل - 4 فرکانس مغناطش داخل صفحه با فرکانس 13.18 GHz که کمتر از فرکانس تشدید فرومغناطیس لایه آزاد [9] 22.5GHz است، نوسان میکند . فرکانس به دست
