CN109065703A - 一种驱动磁性斯格明子运动的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种驱动磁性斯格明子运动的方法，本发明通过对铁磁薄膜或者反铁磁薄膜上斯格明子施加线性拉盖尔‑高斯型涡旋光场，光轨道角动量转移进而实现斯格明子的输运。相较现阶段电流驱动斯格明子的方式而言，此方式可以使斯格明子翻越大尺度的缺陷从而避免被缺陷捕获，同时不会破坏磁结构，有效地避免了斯格明子霍尔效应，具有速度快、操作方法简单的特点，而相比于铁磁薄膜，反铁磁薄膜上斯格明子的运动速度更快，这对于提升存储器件的数据传输速度是很有意义的。
Description
技术领域
本发明属于磁光器件技术领域，具体涉及一种由线性拉盖尔-高斯型涡旋光通过轨道角动量转移操纵磁性斯格明子运动的方法。
背景技术
磁性斯格明子是一种具有准粒子特性且受拓扑保护的自旋结构，它具有尺寸小、稳定性高等特点。由于其存在与否可对应信息记录的“1”和“0”，因而在赛道存储器及逻辑器件等自旋电子学相关领域具有很广阔的应用前景。磁性斯格明子的操纵方法也是非常重要的，研究已经发现，磁性斯格明子可以被自旋极化电流、电场梯度、磁场、温度梯度和自旋波驱动，而目前来说自旋极化电流仍然是驱动磁性斯格明子运动的主流手段。
电流驱动磁性斯格明子运动时，由于磁性斯格明子霍尔效应的存在，即这种拓扑结构会受到马格纳斯力的作用，所以其会产生一个与电流方向垂直的速度，产生横向漂移运动，进而导致磁性斯格明子在器件边缘聚集，最终对器件的正常工作产生消极影响。同时，由于器件制备中是存在缺陷的，磁性斯格明子在运动过程中受缺陷影响，或是被钉扎或是湮灭，也同样对器件的实际工作产生不利影响。
研究发现，光可以携带自旋角动量(R.A.Beth,Direct detection of theangular momentum of light)和轨道角动量(OAM)(L.Allen et.al,Orbital angularmomentum of light and the transformation of Lagurre-Gaussian laser modes)。轨道角动量来源于光波的螺旋相位：具有相位结构的光场，例如拉盖尔-高斯光束。而带有轨道角动量的光束可以作用在物体上产生力矩，且每个光子可以转移给物体的机械力矩可以很大，这样通过光和粒子的相互作用就可以使得粒子运动。以上手段均已被实验或理论所证实，将被运用于本发明之中。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于解决问题，提供一种驱动磁斯格明子运动的方法。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种驱动磁性斯格明子运动的方法，在一个铁磁薄膜或者反铁磁薄膜上产生一个孤立的斯格明子，然后再对其施加线性拉盖尔-高斯型涡旋光场，初始时光场大小沿径向方向的梯度最大值点和磁性斯格明子中心位置重合，进而实现磁性斯格明子绕光场中心的圆周运动。相比于铁磁薄膜，反铁磁薄膜上斯格明子的速度更快。
作为优选方式，所述梯度最大值点即为在光场中，沿着半径方向，单位距离内光场幅值变化最快的点。
作为优选方式，磁性斯格明子形成方式包括：通过在磁性薄膜局部位置施加自旋极化电流的方法形成斯格明子，或通过激光激发的方式，或通过磁畴壁对转换形成磁性斯格明子。
作为优选方式，线性拉盖尔-高斯型涡旋光场的形成利用人工表面等离激元的原理产生，采用环形双层人工表面等离激元波片来进行波束的发射，同时进行辐射光束相位的调节作用，进而得到吉赫兹量级的拉盖尔-高斯型涡旋光场。
作为优选方式，利用显微镜观测确定出磁性斯格明子在铁磁薄膜或反铁磁薄膜上的具体位置。
作为优选方式，通过计算得出不同模值l下光场沿半径方向的两个零点的距离，从而确定出光照中心位置，进而使初始时光场大小沿径向方向的梯度最大值点和磁性斯格明子中心位置重合。
作为优选方式，如果薄膜上存在缺陷，通过调节光场的大小和位置使磁性斯格明子翻越缺陷而不被缺陷所捕捉，已知磁斯格明子和缺陷的具体位置，通过Matlab软件工具计算斯格明子的理想轨迹曲线，进一步拟合得出涡旋光的参数。
以反铁磁薄膜为基底材料作为优选方式，相比于铁磁薄膜基底而言，其具有以下几个优势：
(1)相比于铁磁薄膜而言，在反铁磁薄膜上的产生的磁斯格明子其结构更加稳定，这是因为反铁磁的交换作用系数是一个负值，使得相邻磁矩反平行排列，对比铁磁体的磁矩同向排列，驱动其运动所需能量更多，磁结构的稳定性更高。因而在几个到几十个特斯拉大小的光场作用下，斯格明子的结构可以保持更加稳定的状态。
(2)反铁磁的特征频率为太赫兹量级，目前而言，太赫兹量级的拉盖尔-高斯型涡旋光束比吉赫兹的拉盖尔-高斯型涡旋光束研究更深入，因此在实验上更加容易获得。其产生方法主要分为以下三类：超快光电子学方法、光学方法和电子学方法。
(3)同样的，相比于吉赫兹频率下驱动铁磁薄膜上的斯格明子而言，在太赫兹频率下利用拉盖尔-高斯型涡旋光驱动磁性斯格明子的速度要大10～100倍。这也是使用反铁磁材料性能优越的原因，利用其制作而成的赛道存储器，在数据传输上速度更快，性能更优越。
本发明的原理具体如下：
通过对铁磁薄膜或者反铁磁薄膜施加拉盖尔-高斯型涡旋光场，涡旋光的轨道角动量可以传递给磁性斯格明子，从而使其产生沿着光束切线方向的力矩，进而使得磁性斯格明子在特定光的作用下沿着特定的轨道运动，同时这种类似“扳手”的作用力亦可以使磁性斯格明子沿着特定轨迹翻越大尺度的缺陷而不被缺陷所捕获。
相比现有技术，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种操纵磁斯格明子运动的新方式，与现阶段采用电流驱动斯格明子运动的方式相比，本发明可以有效地解决斯格明子霍尔效应引起的横向漂移运动问题，并且在材料存在缺陷的情况下，通过涡旋光可以驱动磁性斯格明子翻越大尺度的缺陷，进而达到磁性斯格明子精确操控的目的。同时，以反铁磁薄膜为基底材料的斯格明子，其运动速度相比于铁磁斯格明子大大提升，这对于提升存储器件的传输速度是很有意义的。
附图说明
图1为本发明的基本结构示意图，涡旋光驱动铁磁薄膜上斯格明子的运动；其中：径向指数为n＝1而轨道角动量量子数l＝3。
图2光场幅值大小随光半径方向变化示意图；其中：径向指数n＝1，轨道角动量量子数l＝4、5、6、7、8。
图3为磁性斯格明子一个周期内的变化轨迹图；其中：(a1)-(a9)的轨道角动量量子数l＝5，而(b1)-(b9)的轨道角动量量子数l＝-5。
图4磁性斯格明子线速度随频率和轨道角动量量子数变化的曲线图；其中：图(a)为磁性斯格明子线速度随光场频率ω/2π变化图，图(b)为磁性斯格明子线速度随轨道角动量量子数l变化图。
图5磁性斯格明子跨越大尺寸缺陷的轨迹图；其中：“UESTC”代表实际制备中的缺陷，其内部不含任何材料。
图6为一个典型的反铁磁斯格明子结构，由于其交换作用为负数，使得相邻格点间磁矩反向排列，相比铁磁性斯格明子而言有了不同的性质。
图7为反铁磁斯格明子在一个周期内的变化轨迹图；其中：图(a1)-(a9)的轨道角动量量子数l＝-10，而(b1)-(b9)的轨道角动量量子数l＝10。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
下面结合具体实施例和说明书附图对本发明的原理及特性进行详细说明：
实施例：
本实施例提供一种驱动磁性斯格明子运动的方法，在一个铁磁薄膜或者反铁磁薄膜上产生一个孤立的斯格明子，然后再对其施加线性拉盖尔-高斯型涡旋光场，初始时光场大小沿径向方向的梯度最大值点和磁性斯格明子中心位置重合，进而实现磁性斯格明子绕光场中心的圆周运动，且相比于铁磁薄膜，反铁磁薄膜上斯格明子的速度更快。
所述梯度最大值点即为在光场中，沿着半径方向，单位距离内光场幅值变化最快的点。
磁性斯格明子形成方式包括：通过在磁性薄膜局部位置施加自旋极化电流的方法形成斯格明子，或通过激光激发的方式，或通过磁畴壁对转换形成磁性斯格明子。
拉盖尔-高斯型涡旋光场的形成利用人工表面等离激元的原理产生，采用环形双层人工表面等离激元波片来进行波束的发射，同时进行辐射光束相位的调节作用，进而得到吉赫兹量级的拉盖尔-高斯型涡旋光场，而反铁磁薄膜所需的太赫兹量级涡旋光场则可以通过超快光电子学方法、光学方法和电子学方法产生。
本实施例中，利用显微镜观测确定出磁性斯格明子在铁磁薄膜上的具体位置。
本实施例中，通过计算得出不同模值l下光场沿半径方向的两个零点的距离，从而确定出光照中心位置，进而使初始时光场大小沿径向方向的梯度最大值点和磁性斯格明子中心位置重合。
本实施例中，如果薄膜上存在缺陷，通过调节光场半径的大小和中心位置使磁性斯格明子翻越缺陷而不被缺陷所捕捉，已知磁斯格明子和缺陷的具体位置，通过Matlab软件工具计算斯格明子的理想轨迹曲线，进一步拟合得出涡旋光的参数。
磁斯格明子或者材料大尺度的缺陷位置可以通过显微镜直接观测。
图1所示是本发明的基本结构示意图，其中底部是一个铁磁薄膜基底，其中图左侧一个奈尔型磁性斯格明子，当通过径向指数数为n＝1而轨道角动量量子数l＝3的拉盖尔-高斯型涡旋光场照射时，涡旋光的轨道角动量转移给磁性斯格明子，进而使得磁性斯格明子在圆周轨道上运动。
下面通过分析磁性斯格明子在涡旋光场作用下的受力情况对其运动进行原理性说明：
如果考虑傍轴近似的情况下，通过解麦克斯韦方程组可得到涡旋光的方程。再考虑焦平面z＝0的情况下，本系统中所采用的的拉盖尔-高斯型涡旋光场可由下式描述：
其中柱坐标中的ρ表示极坐标，表示方位角，z表示波的传播方向。而式中w表示光腰的大小；B0是一个常数，用以调节光场的幅值；则为广义拉盖尔函数；ep表示方位角矢量，表示光场的方向，系统采用了线性偏振光，所以ep＝x。
而本系统中磁的动力学方程可以由LLG(Landau-Lifshitz-Gilbert)方程描述：
其中m＝M/Ms表示单位磁矩的矢量，Ms和γ分别代表饱和磁化强度和旋磁比，Beff为有效场，其包含了交换能、各向异性能、DMI和光场。从LLG方程进行推导，得出了磁性斯格明子在涡旋光场下的力学方程，如下所示：
其中是磁性斯格明子的有效质量；G为旋磁耦合矢量，且G＝-4πQz，其中Q为斯格明子的拓扑数，其值为 为耗散力张量，其值为F为驱动力，即外场对斯格明子的力的大小，其大小为其中为磁性系统的哈密顿能量。基于力学方程我们可以较好分析斯格明子的运动情况。如果G≠0，这种类似洛伦兹力的力远大于耗散力(粘性力或摩擦力)，如果忽略耗散力的作用，我们可以得到磁性斯格明子沿着角度方向的速度满足如下公式：
式中R是斯格明子的旋转运动半径，即斯格明子中心和涡旋光中心的距离，Fr表示驱动力的径向分量。(4)式有关于频率的两个模值如果此时考虑耗散力，此时就会在沿着径向产生一个速度小量，即进而对磁性斯格明子的实际速度产生一定影响。
综上可总结为：涡旋光场为磁性斯格明子提供了主要的驱动力，而同时在旋磁耦合矢量的作用下，磁性斯格明子会受到沿着径向的向心力合力，正是合力的作用促使斯格明子可以进行特定的圆周运动。而式中的耗散力，即粘性阻力，虽然由于α的存在，其值为一个小量，但仍会对磁性斯格明子的运动速度产生一定影响。
根据上述理论分析，可以清晰的看出，基于轨道角动量转移通过拉盖尔-高斯型涡旋光可以实现磁性斯格明子的精确控制。
图2所示为不同轨道角动量量子数的磁场幅值随着涡旋光半径方向的变化曲线图。可以看出：涡旋光在第二个零点处的梯度是最大值，其产生的力矩也是一个极值，通过数值计算选择涡旋光，并将涡旋光对准斯格明子中心位置，即可以实现其运动。
本实施例通过仿真实验也验证了上述理论的可靠性，下面详细阐述本实施例的仿真过程：如图3所示是在一个周期内磁性斯格明子的运动轨迹图，其中涡旋光的径向指数n＝1轨道角动量量子数分别为l＝+5和L＝-5，其频率大小为f＝ω/2π＝1Ghz，系数B0＝10- 4Tm1/2。而系统是长宽均为200nm，厚度为1nm的铁磁薄膜。铁磁薄膜参数具体如下：交换能A＝15pJm-1，各向异性能Kz＝0.8MJm-3，饱和磁化强度Ms＝0.58MAm-1，DM相互作用能(Dzyaloshinskii-Moriya interaction)D＝3.5mJm-2，吉尔伯特阻尼为α＝0.01。图中可明显看出磁性斯格明子在涡旋光作用下的圆周运动。而l＝+5和l＝-5的轨迹不完全对称，这是因为粘性力产生的速度小量δv其方向不同，一个指向圆心，一个偏离圆心，这就造成斯格明子的运动半径有所差别，这一仿真结果也是对理论上的验证。同时根据上述关于速度小量的分析，我们可以得到斯格明子质量
图4所示是磁性斯格明子速度随着频率ω/2π和轨道角动量量子数l的变化图。图(a)中，一定程度下，随着涡旋光频率的增加，磁性斯格明子在所受力矩增大的情况下其速度也会随之增加，而继续增加这一参数，斯格明子感受到光的密度(正比于B0 2/ω)随之下降，进而导致速度的降低。图(b)中，当固定涡旋光频率为1Ghz和系数B0＝6×10-5Tm1/2时，随着轨道角动量量子数l的增加，斯格明子速度亦呈现先增加后减少的趋势，说明l对斯格明子速度较为敏感。图中的“叉”表示在l＝+6这种特殊的涡旋场下，斯格明子在光场的照射下湮灭。因为在我们所考虑的模型中，斯格明子和涡旋光照在磁性薄膜之间的耦合强度主要来源于塞曼能。但由于涡旋光在空间上的分布不是均匀的，所以耦合强度和磁性斯格明子的初始位置以及涡旋光的强度、幅值大小等参数有关。这也是在此时斯格明子消失的原因。当l＜6时磁性斯格明子可以稳定存在是因为此时涡旋光场太弱以至于不能使磁矩发生反转，而l＞6时是因为其受到沿着半径方向的回复力，避免了其运动到光场极值处发生湮灭。
图5所示是通过施加涡旋光场驱动磁性斯格明子翻越大尺度的缺陷，其中铁磁薄膜大小为400nm×400nm×1nm，其中间位置的图形“UESTC”表示实际样品中可能存在的缺陷，即其中没有任何材料，此缺陷也可以用等大小的其他图形表示，采用w＝35nml＝+15的涡旋光场，从结果来看，磁性斯格明子可以成功的避开缺陷而不被其所捕获，且斯格明子的速度可以达到50ms-1。如果缺陷位置不在薄膜中心，例如边缘，可以通过调节光场中心或改变其幅值大小即可。
图6所示为一个典型的反铁磁斯格明子结构，反铁磁薄膜中，相邻磁矩呈反平行排列。
图7所示为一个周期内反铁磁斯格明子的运动轨迹图，相邻时间间隔为0.09ns。图中，涡旋光的径向指数n＝1，轨道角动量量子数分别为l＝-10和l＝10，其频率大小为f＝ω/2π＝2Thz，系数B0＝10-5Tm1/2。而系统是长宽均为150nm，厚度为0.5nm的反铁磁薄膜。反铁磁薄膜参数具体如下：交换能A＝-6.59pJm-1，各向异性能Kz＝0.116MJm-3，饱和磁化强度Ms＝0.376MAm-1，DM相互作用能D＝0.7mJm-2，吉尔伯特阻尼为α＝0.01。反铁磁薄膜中斯格明子运动周期为0.73ns，运动半径为41nm，其运动速度可以达到353m/s。相比于铁磁斯格明子的运动速度而言，这是一个很大的飞跃。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种驱动磁性斯格明子运动的方法，其特征在于：在一个铁磁薄膜或者反铁磁薄膜上产生一个孤立的斯格明子，然后再对其施加线性拉盖尔-高斯型涡旋光场，初始时光场大小沿径向方向的梯度最大值点和磁性斯格明子中心位置重合，进而实现磁性斯格明子绕光场中心的圆周运动。
2.根据权利要求1所述的一种驱动磁性斯格明子运动的方法，其特征在于：所述梯度最大值点即为在光场中，沿着半径方向，单位距离内光场幅值变化最快的点。
3.根据权利要求1所述的一种驱动磁性斯格明子运动的方法，其特征在于：磁性斯格明子形成方式包括：通过在磁性薄膜局部位置施加自旋极化电流的方法形成斯格明子，或通过激光激发的方式，或通过磁畴壁对转换形成磁性斯格明子。
4.根据权利要求1所述的一种驱动磁性斯格明子运动的方法，其特征在于：拉盖尔-高斯型涡旋光场的形成利用人工表面等离激元的原理产生，采用环形双层人工表面等离激元波片来进行波束的发射，同时进行辐射光束相位的调节作用，进而得到吉赫兹量级的拉盖尔-高斯型涡旋光场，而反铁磁薄膜所需的太赫兹量级涡旋光场则可以通过超快光电子学方法、光学方法和电子学方法产生。
5.根据权利要求1所述的一种驱动磁性斯格明子运动的方法，其特征在于：利用显微镜观测确定出磁性斯格明子在铁磁薄膜上的具体位置。
6.根据权利要求1所述的一种驱动磁性斯格明子运动的方法，其特征在于：通过计算得出不同模值l下光场沿半径方向的两个零点的距离，从而确定出光照中心位置，进而使初始时光场大小沿径向方向的梯度最大值点和磁性斯格明子中心位置重合。
7.根据权利要求1所述的一种驱动磁性斯格明子运动的方法，其特征在于：如果薄膜上存在缺陷，通过调节光场半径的大小和中心位置使磁性斯格明子翻越缺陷而不被缺陷所捕捉，已知磁斯格明子和缺陷的具体位置，通过Matlab软件工具计算斯格明子的理想轨迹曲线，进一步拟合得出涡旋光的参数。
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