磁性纳米条中的非互易畴壁传输

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Non-reciprocal domain wall transport in magnetic nanostripes

　　

S.F. de Souza|S. Castillo-Sepulveda|H.A. Teixeira|C.I.L. de Araújo|D. Altbir|M. Kiwi|R.M. Corona|J.M. Fonseca|V.L. Carvalho-Santos

巴西维索萨联邦大学物理学系，Peter Henry Rolfs大道，邮编36570-000，维索萨，米纳斯吉拉斯州

摘要

在这项研究中，我们开发了一个类二极管系统来演示不对称畴壁（DW）的传播现象。通过在纳米条带上进行椭圆形切割，实现了可控的非对称畴壁运动。在Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）的作用下，几何不对称性会在磁滞回线中引入有效的偏置。根据注入系统的电流大小，这种效应可以使得畴壁沿某个方向单向传播，而在相反方向则完全阻止其传播。通过改变施加磁场的方向，这种行为是可以逆向的，并且还可以通过调整纳米条带的几何形状来进一步调节。这种通过外部场和结构设计实现的双重可调性，使得对畴壁动态的控制变得精确。此外，该系统对电流驱动的畴壁运动表现出内在的抗性，这凸显了其在可重构自旋电子逻辑器件中的应用潜力。我们的发现为在下一代磁电路中实现非对称自旋纹理传输提供了一个直接且可通过实验验证的平台。

引言

当前信息技术主要依赖于传统电子设备，但它们正接近其极限。相比之下，自旋电子学作为一种有前景的替代方案，利用自旋与电流之间的相互作用来开发创新设备。在这方面，磁性纳米结构能够促进多种磁性纹理的生成、稳定和控制，这些纹理对于信息传输和数据存储设备非常重要。自旋电子学允许在畴壁[1]、[2]、[3]、[4]、斯格明子[5]、[6]、[7]、[8]、霍普菲子[10]、[11]、[12]、布洛赫点[13]以及其他磁性构型中存储和读取信息，而且所需的能量较低。这些纹理具有新颖的特性，其中几何形状起着重要作用[15]、[16]、[17]、[18]。

Castillo等人[19]最近从理论上探讨了几何形状对磁化性质的影响。在他们的研究中，作者指出，由于几何缺陷和内在的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）[20]、[21]、[22]的共同作用，磁滞回线发生了位移。这种位移是由于在非对称纳米圆盘中的磁化反转过程中产生了具有明确手性$\mathcal{C}$和极性$\mathcal{P}$的涡旋。塞曼相互作用和DMI相互作用之间的竞争决定了涡旋传播的优先方向，这种方向可能有难易之分。为了解释这一现象，人们提出了一个描述Dzyaloshinsky-Moriya（DM）偏置的通用理论[23]。从实验角度来看，Han等人[24]表明，由几何不对称性引起的磁滞回线位移可以用来确定DMI的强度。

磁性畴壁（DW）可以被考虑 sebagai 编码数字信息的候选者，这是电子电路中电子电荷的替代方案。通过施加磁场或注入电流可以移动畴壁，此前已经有研究提出将畴壁用于磁性二极管。例如，Allwood等人[25]通过实验表明，带有三角形元素的调制坡莫合金纳米线（NW）可以作为畴壁运动的过滤器。在他们的实验装置中，畴壁可以沿一个方向自由传播，但在向相反方向移动时会被三角形排列的缺陷固定，这一点从磁滞回线中可以得到证实。另一项补充研究表明，横向畴壁与纳米线中的三角形缺陷之间的相互作用揭示了观察到的不对称磁滞回线背后的机制[26]。进一步分析具有垂直磁各向异性的系统和三角形晶格中的自旋轨道扭矩（SOT）诱导的畴壁运动，发现畴壁传输依赖于三角形元素的几何不对称性[27]。

还有其他实现非对称畴壁传输的替代方法。例如，在纳米轨道[28]中提出了利用拓扑自旋纹理的非对称传输的斯格明子二极管。在Chiral系统Pt/Co/AlO${}_x$中也观察到了非对称传输。这种现象表现为畴壁在样品的一个边缘优先形成反转结构，这取决于外部磁场的方向和初始磁化状态[29]。当畴壁沿着分叉的PMA导线结构移动时，由于DMI的作用，也观察到了畴壁性质的不对称性，其中畴壁的传播方向由DMI耦合决定[30]。在这个背景下，Yershov等人[31]研究了一种具有空间变化DMI的纳米条带，并表明由自旋极化电流驱动的畴壁表现出单向运动，这种运动受到其手性的控制。此外，Luo等人[32]证明，在Pt/Co系统中适当排列对称和不对称的畴壁反相器可以实现Néel畴壁沿纳米线的非对称传输。

在本文中，我们提出了一种新方法，通过在条带上引入不对称几何形状来模拟DMI梯度，这种配置易于实验实现。我们的研究结果表明，外部场可以控制由曲率引起的梯度效应，从而在一个方向上完全抑制畴壁的传播。此外，我们展示了通过反转外部磁场的方向可以实现畴壁的非对称传输的可逆性。鉴于这一特性，所提出的器件可以用于实现布尔逻辑的实验验证，类似于文献中先前展示的方法[33]。

部分摘录

理论模型

我们的非对称系统由一个方形纳米条带组成，以下简称SNS，其长度为$?=100\mathrm{nm}$，宽度为$w=100\mathrm{nm}$，厚度为$h=10\mathrm{nm}$。该纳米条带在中间有一个椭圆形切割，贯穿整个条带的边缘，如图1a所示。我们定义了几何不对称参数$\rho =a/w$，其中$a$表示$y$轴方向上的切割大小。因此，$\rho =0$表示完整的矩形切割，而$\rho =1$表示沿条带整个宽度的椭圆形切割。图2a显示了我们的非对称系统的一部分

结果与讨论

我们的计算第一步是获取一个SNS在$\rho =0$下的磁滞回线，其中沿轴施加的磁场从$?500$ mT变化到$500$ mT，步长为1 mT。接下来，我们获得了在SNS的一条边缘具有椭圆形切割的系统的磁滞回线，这些系统的$\rho =0.25$和0.50。结果如图1b所示，并证明了DMI偏置[19]、[23]的存在，适用于$\rho \ne 0$的情况。磁滞回线的位移是由与DMI相关的手性竞争引起的

结论

在这项工作中，我们证明了一个具有不对称椭圆形切割的纳米条带在其磁滞回线中表现出DMI偏置，从而实现了非对称畴壁传输。这意味着，根据施加电流的大小和方向，畴壁可以沿一个方向传播，而在相反方向被固定。因此，该系统作为一个类二极管设备工作，基于非对称畴壁运动，在广泛的电流密度范围内均可运行，并且可以通过

CRediT作者贡献声明

S.F. de Souza：负责撰写 - 审稿与编辑、撰写 - 原稿撰写、可视化、验证、监督、项目管理、方法论、研究、形式分析、概念化。S. Castillo-Sepulveda：负责撰写 - 审稿与编辑、验证、方法论、研究、形式分析。H.A. Teixeira：负责撰写 - 原稿撰写、方法论、研究、概念化。C.I.L. de Araújo：负责撰写 - 审稿与编辑、验证、方法论、研究、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文报道的工作。

致谢

作者感谢巴西的CAPES、CNPq、FAPEMIG、INCT - Spintr?nica e Nanoestruturas Magnéticas Avan?adas (INCT-SpinNanoMag)和Rede Mineira de Nanomagnetismo/FAPEMIG》提供的财政支持。在智利，作者感谢Fondecyt》的1220215和1251178项目以及ANID的CEDENNA在CIA250002项目下的支持。R.M.C.感谢Universidad Tecnológica Metropolitana》在2023年常规研究项目竞赛中提供的LPR23-12项目支持。

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