BÁO CÁO MÔN HỌC
TỪ HỌC VÀ VẬT LIỆU TỪ
Đề tài:

Domain wall motion in nano magnetic wires


1. Tổng quan
1.1. Đơmen

•

Hiện tượng từ hóa tự phát là đặc điểm quan trọng nhất của chất sắt từ.

µ0 H 2
W
= = HdB = à0 HdH =
V
2
ã
ã
ã

vùng nhiệt độ TKhi Ho = 0, tổng momen từ vật liệu bằng khơng (mẫu lý tưởng) ?
Trong mẫu hình thành các vùng nhỏ (≈µm) nhằm giảm hiện tượng tự phát, gọi là đomen.

(a) Nam châm phát ra từ trường H
(b) Từ trường phân tán đó nhỏ nếu chia đơi vật sắt từ thành 2 đomen và bằng không nếu thêm 2
đomen vng góc để khép kín mạch từ

(c)

2
Cấu trúc đomen làm cho năng lượng từ trường W~H phát tán ra ngồi giảm mạnh và gần
bằng khơng.


1. Tổng quan
1.2. Vách đơmen
Phương dễ
Các mơmen từ quay
một góc nhỏ

Đơmen A

•
•
•

Vách đomen

Đơmen B

Hai domen A và B tiếp giáp nhau bởi một một vùng chuyển tiếp gọi là vách đomen
Các spin trong vách buộc phải xoay sao cho spin đầu (sát A) và cuối (sát B) trùng với vectơ từ độ của các đomen A và B.
Các spin trung gian cũng phải xoay trong vùng chuyển tiếp đó.

Phương dễ



1. Tổng quan
1.2. Vách đơmen

•
•
•

Vách là lớp ngăn cách hai đomen có định hướng khác nhau
Như vậy, trong vách, các spin không thể tuyệt đối song song nhau
Mặt khác, các spin không tuyệt đối song song với phương dễ

Vách đomen là nơi vecto momen từ đảo chiều, tạo ra

Cấu trúc vách đomen: tại biên giới giữa 2 đomen A và B

vecto phân cực (nam châm) gần vng góc với với bề
mặt mẫu.

vecto momen từ
0

0

0

Hai đomen 180 A và B, các spin đổi phương từ 180 sang -180 trong vách đomen δ


1. Tổng quan

1.3. Đơmen đơn trục

•
•
•

0
Đomen đơn trục (đomen 180 ) được mơ tả ở hình bên, trong đó các đomen chính với vectơ từ độ

0
Đomen đơn trục (180 ), các đomen

M hướng theo phương dễ

0
phụ (90 ) xuất hiện để khép kín mạch

Mục đích: Để cho mạch trường khép kín, khơng phát tán từ thơng ra ngồi và giảm năng lượng tĩnh

từ, ngăn từ thông phát tán ra không

từ.

gian

o
Các đomen phụ (90 ) để khép kín mạch

1.4. Đơn đơmen


•
•

Cấu trúc đơn đomen tồn tại khi vật sắt từ chỉ chứa một đomen.
Trạng thái đơn đomen có thể có khi từ hóa chất sắt từ đến bão hịa, từ trường ép
các đomen định hướng vecto từ độ của chúng theo phương từ trường

Cấu trúc đơn đomen là kết quả của sự cạnh tranh giữa năng lượng bề mặt và năng lượng tĩnh từ.


1. Tổng quan
1.5. Sự thay đổi năng lượng chất sắt từ khi có tạp chất

•

Tạp chất: các hạt phi từ, kể cả bọt khí

•

Khi vách đomen chạy đến hạt tạp chất, vách thường bám vào hạt vì như vậy, diện tích vách
cùng năng lượng vách sẽ giảm

•

Khi vách đomen đi vào hạt tạp chất, phân bố cực từ thay đổi vì vậy năng lượng tĩnh từ giảm đi
và đấy là lý do vì sao hạt tạp chất thường kẹp vào vách đơmen

•

Tạp chất có thể gây ra sự hình thành các đomen phụ

Khi hạt tạp chất hình cầu kẹp trên vách đomen, năng lượng vách giảm do diện tích vách
giảm vì vậy hạt tạp chất bị giữ lại trên vách


1. Tổng quan
1.6. Sự dịch vách đơmen

•

Sự dịch vách đomen xuất hiện khi ta tăng hoặc giảm năng lượng từ (tương tác giữa từ trường
ngồi H và từ độ MS)

•

Thể tích mà đomen a (↑) lấn sang đomen b (↓) là:
V = yz δx

Năng lượng vách (trên) và gradient năng lượng lượng vách phụ
thuộc vào quãng đường dịch chuyển vách x
Đomen a có momen từ song song với H phát triển theo chiều x bằng cách lấn sang vị trí của
đomen b


2. Chuyển động của vách đômen trong dây nano từ
Giới thiệu

Hai thập kỷ qua đã chứng kiến một cuộc cách mạng về vi từ, cả về khoa học cơ bản và công nghệ.  Từ lâu, người ta đã hiểu rằng miền sắt từ có thể được điều khiển thơng qua từ trường bên
ngoài.

 Gần đây hơn là việc phát hiện ra một cơ chế mới cho động lực tường miền thông qua sự tương tác của từ hóa và dịng điện phân cực spin.  Khả năng thay đổi (ghi) các miền từ thơng qua ứng

dụng của dịng điện đã dẫn đến các thiết kế mới của bộ nhớ từ.  Một trong những hiện thực ngoạn mục nhất là cái gọi là “bộ nhớ đường đua” (race-track memory), một thiết bị có dạng hình học
ba chiều đầy đủ bao gồm một mảng các dây nano song song trên đó các miền (bit) có thể được đọc, vận chuyển và ghi bằng cách áp dụng dòng điện.

Động lực học của tường miền từ (DWs) trong dây nano sắt từ dưới tác dụng của từ trường và dòng điện là một trong những vấn đề quan trọng nhất trong vi từ và spintronics.  Vấn đề này đã
được nghiên cứu rộng rãi bằng thực nghiệm và thông qua mô phỏng số.


2. Chuyển động của vách đômen trong dây nano từ
Mô phỏng
tổng năng lượng tự do Gibbs từ trường
Chart

(1)

A là hằng số trao đổi, βi biểu thị cosin hướng của vectơ phân cực từ,
J = (β1, β2, β3) Js. Ku và u là hằng số dị hướng từ tinh thể và hướng dị hướng. H ext là trường bên ngoài. Trường khử từ
Hd, theo sau từ một thế vô hướng từ.

Đạo hàm biến phân của (1) cho tổng trường hiệu dụng Heff tác dụng lên phân cực từ. Ở trạng thái cân bằng, mômen
xoắn, J x Hext , biến mất và phân cực từ ở trạng thái dừng

Dây từ được chia thành các phần tử hữu hạn tứ diện. Trong mỗi phần tử, cosin hướng βi được nội suy bởi một hàm
tuyến tính. Để giải quyết tường miền từ, kích thước phần tử phải nhỏ hơn chiều dài đặc trưng lc, được cho bằng giá trị
nhỏ nhất của chiều dài trao đổi, lex và tham số Bloch δ0


2. Chuyển động của vách đômen trong dây nano từ
Mô phỏng

Sau mỗi bước thời gian, một báo lỗi chỉ được tính cho mỗi phần tử hữu hạn.

Nếu sai số quá lớn, bước thời gian sẽ bị loại bỏ và lưới phần tử hữu hạn được tinh chỉnh trong các vùng có sai
số lớn.
Nếu khơng, tích hợp thời gian được tiếp tục trên lưới đã cho. Do đó, mơ phỏng chỉ tiến hành trong thời gian
nếu sai số tùy chỉnh không gian dưới một ngưỡng nhất định. Các nghiên cứu số lượng cho thấy rằng lưới di
chuyển làm giảm tổng thời gian CPU nhiều hơn một hệ số 4.

Hình 1. Lưu đồ của thuật tốn vi từ lưới thích ứng. Mơ phỏng chỉ tiến hành trong thời gian nếu sai số tùy chỉnh
không gian dưới một ngưỡng nhất định.


2. Chuyển động của vách đômen trong dây nano từ
Mô phỏng

Hình 2 cho thấy một chuỗi các lưới trong quá trình mơ phỏng chuyển động của vách đơmen trong một dây Co.

Kích thước mắt lưới ở vùng thơ là 20 nm, trong khi kích thước mắt lưới tại vị trí tường tiếp cận lc là 4,3 nm đối với dây Co được
khảo sát.

Hình 2. Trình tự các mắt lưới trong q trình chuyển động của vách đơmen. Các hình ảnh cung cấp cho lưới
hình tam giác trên bề mặt của dây.


2. Chuyển động của vách đômen trong dây nano từ
Kết quả

Dây từ có chiều dài 600 nm được cấu tạo bởi hai phần, phần từ mềm có chiều dài 100 nm và phần từ cứng có
chiều dài 500 nm.
Phần từ mềm có tính dị hướng từ tinh thể bằng khơng. Phần từ cứng có dị hướng một trục song song với trục
dài của dây.


Vận tốc vách đômen phụ thuộc đáng kể vào cấu trúc tường. Quá trình hình thành quyết định cấu trúc vách.
Vùng từ mềm cung cấp một cách dễ dàng để kiểm sốt sự hình thành của vùng ở một phía của dây.

Hình 3. Mơ hình phần tử hữu hạn của dây hai pha. Tổng chiều dài của dây nano là 600 nm. Phần từ mềm không dị hướng tạo điều kiện cho sự tạo mầm của các miền đảo
ngược. Phần từ cứng có các thơng số vật chất là Co (phân cực từ tự phát Js = 1,76 T, hằng số trao đổi A = 1,3 x 10
5

3
dài, Ku = 4,5 x 10 J / m ).

–11

J / m, và dị hướng từ tinh thể song song với trục


2. Chuyển động của vách đômen trong dây nano từ
Kết quả

Hình 4 minh họa quy trình này cho các trường ngoài khác nhau, dẫn đến vận tốc tường miền v D như một hàm
của trường bên ngoài Hext. Biểu đồ dưới cùng cho vD (Hext) đối với một dây có đường kính 10 nm và hệ số
suy giảm Gilbert là α = 1.

năng lượng trao đổi của vách xoáy cao hơn năng lượng trao đổi của vách ngang. Đối với d = 20 nm, tổng năng lượng tính tốn của vách
xoáy cao hơn tổng năng lượng của vách ngang khoảng 1%.

Hình 4. Tính tốn vận tốc tường miền. Hình trên: Tổng phân cực từ song song với trục dài cho các trường khác nhau. Các dòng khác nhau đề
cập đến các trường khác nhau trong dải từ 560 kA / m đến 700 kA / m với bước 14 kA / m. Hình dưới: Miền vận tốc tường như một hàm của
trường ngồi. Đường kính dây là d = 10 nm và hằng số tắt dần Gilbert là α = 1.



2. Chuyển động của vách đơmen trong dây nano từ

Hình trên cho biết vận tốc vách được tính tốn cho các đường kính dây khác nhau.

Đồ thị thể hiện vận tốc vách ngang và vách xoắn cho d=20 nm và d=40 nm dưới từ trường khác
nhau.
Một khi cấu trúc của vách domen được tạo thành một cấu trúc nhất định, cấu trúc này vẫn giữ
nguyên trong quá trình chuyển động.


2. Chuyển động của vách đơmen trong dây nano từ

Hình trên biểu thị hướng từ trường và vị trí vách doman tại vị trí khác nhau trên dây nano từ với
đường kính d=20nm, và hệ số α=1.

Các mũi tên cho thành phần từ hóa trong một mặt phẳng song song với trục dài của dây Thang màu
xám cho biết hướng quay của vectơ từ hóa. Các vùng đen trắng trong các hình ở phía bên tay phải
chỉ rõ hai hướng quay khác nhau trong vách doman. Cho thấy khơng có sự khác nhau đối với vách
ngang và vách xoắn.


2. Chuyển động của vách đơmen trong dây nano từ

Hình trên cho thấy sự khác nhau giữa vận tốc dịch chuyển vách doman đối
với các hệ số suy giảm α=0.05 và α=1 với dây nano có đường kính d=40nm.

Ta có thể thấy vận tốc tăng gần như tuyến tính theo từ trường ngồi và hệ
số α lớn hơn thì vận tốc dịch chuyển vách doman nhỏ hơn.



2. Chuyển động của vách đômen trong dây nano từ

Sự dịch vách đơmen bởi từ trường ngang

- Hình (a) – (e) cho thấy ảnh hưởng của từ trường ngang Hy lên cấu trúc của vách
đômen ngang

- Vách đômen hẹp nhất khi từ trường ngoài đối song song với phương từ độ của
đơmen và ngược lại

- Hình (f), trường ngang Hy = 200 Oe dẫn đến thay đổi chiều rộng vách trên 35%.
- Hình (g) cho thấy các thành phần khác nhau của năng lượng vách đômen phụ
thuộc vào Hy

Cấu trúc vách đômen, độ rộng vách và năng lượng của vách đơmen phụ thuộc vào
trường từ hóa


2. Chuyển động của vách đômen trong dây nano từ

Sự dịch vách đômen bởi từ trường ngang

- Hy = 0 Oe vận tốc vách đomen ban đầu tăng, sau đó giảm nhanh do phá vỡ Walker tại HW
- Với Hy = 100 và – 100 Oe , vận tốc thay đổi 20% –30% so với khi Hy = 0 Oe
Góc giữa đômen hợp với trục của dây:

- θ <0 rad đối với từ hóa Hy và phương từ độ của đômen song song, và ngược lại
- HW < Hx < 70 Oe, vận tốc trung bình của vách đơmen là rất giống nhau, không phụ thuộc
vào H


- > Tổng mômen quay qua vách đơmen càng thấp, thì vách di chuyển càng nhanh

Vận tốc dịch vách đômen dưới ảnh hưởng của từ trường ngoài


2. Chuyển động của vách đômen trong dây nano từ

Sự dịch vách đơmen bởi từ trường ngang

- Hình (a) – (m) mơ tả q trình phá hủy Walker ở vách đơmen trong dây nano
- Hìnhs (a) – (c) một "lõi phản xốy-antivortex core" hình thành ở một bên của vách đơmen
- Hình (d) – (i), antivortex core di chuyển đến giữa dây
- Hình (j), rời khỏi vách đơmen
- Hình (k) – (m), antivortex core hình thành ở phía đối diện và từ hóa ngược lại
- Hình (n) cho thấy v là tuần hoàn, đạt đỉnh trước khi xảy ra phá vỡ Walker, sau đó giảm xuống

Q trình phá hủy Walker ở vách đômen trong dây nano (a) – (m) [Hy =0 Oe, Hx=100 Oe]
và vận tốc của vách thay đổi trong quá trình phá hủy Walker (n) [Hx =25 Oe]


2. Chuyển động của vách đômen trong dây nano từ tính

Sự dịch vách đơmen bởi từ trường ngang

- V có tốc độ lớn nhất trong trường hợp song song cao hơn trong trường hợp phản song song.
- Vách đômen trải qua phá vỡ Walker trong trường hợp song song và phản song song, cuối cùng vận tốc trôi tổng thể giống với trường hợp khơng có trường ngang

Tốc độ dịch vách đơmen trong q trình phá vỡ Walker với Hx=25 Oe và Hy = 100 Oe



2. Chuyển động của vách đômen trong dây nano từ

Sự dịch vách đơmen bởi từ trường ngang

-Một lõi phản xốy thuận được tạo thành cạnh dây, làm cho vách đômen chậm lại
hình (a) – (c)

- Sau đó vách đơmen được mở rộng
- Hình (e),(f),(g), antivortex bị cơ lập và biến mất
-Hình (h), (i), Hx = 100 Oe, Hy = 0 Oe:
- Q trình phá vỡ Walker tuần hồn
-hi Hy = 100 Oe, hình (i), các antivortex nhiều lần được tạo thành và tách ở vách
đơmen

-

Khi Hy = -100 Oe, hình (j), vách đômen trải qua sự phá vỡ Walker một lần trước

khi trở thành cấu hình ổn định

Mơ tả hình dạng của sự dịch chuyển vách đômen trong khoảng 550 nm [Hx=100 Oe,
Hy=100 Oe]. Tốc độ dịch vách đômen trong trường hợp song song và phản song song


THANK YOU !