Микромагнитное моделирование нерегулярной динамики перемагничивания наноразмерной пермаллоевой пленки со ступенчатым рельефом граничной поверхности

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Проведено трехмерное микромагнитное моделирование процесса перемагничивания пермаллоевой пленки, имеющей на одной из граничных поверхностей дополнительные элементы рельефа ступенчатой формы из того же материала. Показано, что в ходе перемагничивания в постоянном магнитном поле начальное распределение намагниченности, содержащее С-образную доменную стенку, трансформируется в зону перемагничивания, заполненную вихревыми структурами. При этом динамика перемагничивания становится нерегулярной. Для различных типов элементов поверхностного рельефа (полос, линейных или двумерных массивов прямоугольных параллелепипедов различного размера) выявлены особенности динамики зоны перемагничивания (изменение скорости, временное или окончательное прекращение движения). Описаны методы визуализации вихревых структур.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. В. Зверев

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина; Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: vvzverev49@gmail.com
Россия, ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002; ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

Список литературы

  1. Parkin S.S.P., Hayashi M., Thomas L. Magnetic domain-wall racetrack memory // Science. 2008. V. 320. No. 5873. P. 190–194.
  2. Allwood D.A, Gang Xiong, Cooke M.D., Faulkner C.C., Atkinson D., Vernier N., Cowburn R. Submicrometer ferromagnetic NOT gate and shift register // Science. 2002. V. 296. No. 5575. P. 2003–2006.
  3. Hertel R., Schneider C.M. Magnetization dynamics during vortex-antivortex annihilation // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 97. No. 17. Art. No. 177202.
  4. Jun-Young Lee, Ki-Suk Lee, Sangkook Choi, Guslienko K., Sang-Koog Kim. Dynamic transformations of the internal structure of a moving domain wall in magnetic nanostripes // Phys. Rev. B. 2007. V. 76. Art. No. 184408.
  5. Estévez V., Laurson L. Magnetic domain-wall dynamics in wide permalloy strips // Phys. Rev. B. 2016. V. 93. Art. No. 064403.
  6. Estévez V., Laurson L. Fast vortex wall motion in wide permalloy strips from double switching of the vortex core // Phys. Rev. B. 2017. V. 96. Art. No. 064420.
  7. Зверев В.В., Байкенов Е.Ж., Изможеров И.М. Динамические перестройки трехмерной топологической структуры движущейся доменной границы в магнитной пленке при наличии случайных возмущений // ФТТ. 2019. Т. 61. № 11. С. 2070–2083.
  8. Donelly C., Scagnoli V. Imaging three-dimensional magnetic systems with x-rays // J. Phys.: Cond. Matt. 2020. V. 32. No. 21. Art. No. 213001.
  9. Leliaert J., Dvornik M., Mulkers J., De Clercq J., Milošević M.V., Van Waeyenberge B. Fast micromagnetic simulations on GPU – recent advances made with mumax3 // J. Phys. D: Appl. Phys. 2018. V. 51. Art. No. 123002.
  10. Leliaert J., Mulkers J. Tomorrow’s micromagnetic simulations // J. Appl. Phys. 2019. V. 125. Art. No. 180901.
  11. Noske M., Stoll H., Fähnle M., Gangwar A., Woltersdorf G., Slavin A., Weigand M., Dieterie G., Förster J., Back C.H., Schütz G. Spin wave mediated unidirectional vortex core reversal by two orthogonal monopolar field pulses: The essential role of three-dimensional magnetization dynamics // J. Appl. Phys. 2017. V. 119. Art. No. 173901.
  12. Herranen T., Laurson L. Bloch-line dynamics within moving domain walls in 3D ferromagnets // Phys. Rev. B. 2017. V. 96. Art. No. 144422.
  13. Fernández-Pacheco A., Streubel R., Fruchart O., Hertel R., Fischer P., Cowburn R.P. Three-dimensional nanomagnetism // Nature Communications. 2017. V. 8. Art. No. 15756.
  14. Sanz-Hernández D., Streubel R., Fernández-Pacheco A. Launching a new dimension with 3D magnetic nanostructures // APL Mater. 2020. V. 8. Art. No. 010701.
  15. Морозов А.И., Сигов А.С. Фрустрированные магнитные наноструктуры. М.: Физматлит, 2016. 140 с.
  16. Schneider T., Langer M., Alekhina J., Kowalska E., Oelschlägel A., Semisalova A., Neudert A., Lenz L., Potzger K., Kostylev M.P., Fassbender J., Adeyeye A.O., Lindner J., Bali R. Programmability of Co-antidot lattices of optimized geometry // Sci. Rep. 2017. V. 7. Art. No. 41157.
  17. Tahir N., Zelent M., Gieniusz R., Krawczyk M., Maziewski A., Wojciechowski T., Ding J., Adeyeye A.O. Magnetization reversal mechanism in patterned (square to wave-like) Py antidot lattices // J. Phys. D: Appl. Phys. 2017. V. 50. Art. No. 025004.
  18. Zverev V.V., Izmozherov I.M. Dynamical rearrangements of 3-D vortex structures in moving domain walls in continuous and antidot patterned permalloy films // IEEE Trans. Mag. 2022. V. 58. No. 2. Art. No. 4300805.
  19. Зверев В.В. Пиннинг вихрей при перемещении турбулентных волн перемагничивания в антидот пленках со сквозными и несквозными отверстиями // Изв. РАН: Сер. физ. 2023. Т. 87. № 3. С. 434–440.
  20. Малоземов А., Слонзуски Дж. Доменные стенки с цилиндрическими магнитными доменами / М.: Мир, 1982. 384 с.; Malozemoff A.P., Slonczewski J.C. Magnetic Domain Walls in Bubble Materials. New York: Academic Press, 1979.
  21. Vansteenkiste A., Leliaert J., Dvornik M., Helsen M., Garcia-Sanchez F., Waeyenberge B.V. The design and verification of MuMax3 // AIP Advances. 2014. V. 4. Art. No. 107133.
  22. Van de Wiele B., Manzin A., Vansteenkiste A., Bottauscio O., Dupré L., De Zutter D. A micromagnetic study of the reversal mechanism in permalloy arrays // J. Appl. Phys. 2012. V. 111. Art. No. 053915.
  23. Streubel R., Kronast F., Rössler U.K., Schmidt O.F., Makarov D. Reconfigurable large-area magnetic circulation pattern // Phys. Rev. B. 2015. V. 92. Art. No. 104431.
  24. Lebecki K.M., Donahue M.J., Gutowski M.W. Periodic boundary conditions for demagnetization interactions in micromagnetic simulations // J. Phys. D. 2008. V. 41. Art. No. 175005.
  25. La Bonte A.E. Two-dimensional Bloch-type domain wall in ferromagnetic films // J. Appl. Phys. 1969. V. 40. № 6. P. 2450–2458.
  26. Sutcliffe P. Vortex rings in ferromagnets: numerical simulations of the time-dependent three-dimensional Landau-Lifshitz equation // Phys. Rev. B. 2007. V. 76. Art. No. 184439.
  27. Зверев В.В., Изможеров И.М., Филиппов Б.Н. Визуализация динамических вихревых структур в магнитных пленках с одноосной анизотропией (микромагнитное моделирование) // ФТТ. 2018. Т. 60. № 2. С. 294–306.
  28. Борисов А.Б., Киселев В.В. Двумерные и трехмерные топологические дефекты, солитоны и текстуры в магнетиках. М.: Физматлит, 2022. 456 с.
  29. Видеофильмы: https://youtu.be/-dQY-0neQGc, https://youtu.be/cfLeoMy5d6Y, https://youtu.be/VdwcB3DaU4o, https://youtu.be/aXpuKZVv-GI

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Пример конфигурации КП, лежащих на поверхности ℚ (а); жирные кривые соответствуют выбору Θ(r) = Φ(r) = p/2. На этих кривых находятся центры видимых вихрей νk и антивихрей aνk, лежащих в различных плоскостях xz-сечений (б). В центре каждого вихря (антивихря) вектор намагниченности параллелен оси y. Индекс k = 1, 2, 3 нумерует секущие плоскости; две из них совпадают с границами пленки. Центры вихрей (антивихрей) помечены знаками плюс (минус).

Скачать (407KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Результаты моделирования для параллелепипедов с размерами h и w. Изображены зависимости от времени t и x-координаты величин m̅z, усредненных по yz-сечениям образца (тоновые изображения); x-координаты точек на поверхности mz = 0, имеющих фиксированные y и z-координаты (сплошные линии). Переход от светлого тона к темному соответствует повороту намагниченности от направления против поля Hₑₓₚ к направлению вдоль этого поля.

Скачать (148KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Семейства проекций цилиндрических поверхностей ℚ на xy-плоскость в различные моменты времени для пленки без элементов рельефа (а); для пленки с рельефом в виде параллелепипеда, имеющего размеры w = 138 нм, h = 25 нм (в) и h = 50 нм (г); размеры w = 400 нм, h = 25 нм (д) и h = 50 нм (е). Графики проекций изображены с шагом по времени 0.3 нс (толстые линии с оцифровкой) (а, в–е); на участках быстрого движения ЗП добавлены графики с шагом 0.1 нс (тонкие линии без оцифровки) (а, в). Показана начальная конфигурация векторного поля m в xy-сечении, соответствующая С-образной ДС (б). Также для случая w = 138 нм, h = 25 нм показаны характерные конфигурации поля m в xy-сечениях, возникающие в различные моменты времени (ж–м). Близкие и перекрывающиеся жирные линии изображены разными оттенками серого цвета.

Скачать (599KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Результаты моделирования для массивов 1×3 и 3×3, которые состоят из параллелепипедов высотой h, имеющих в основаниях квадраты со сторонами d. Смысл обозначения тот же, что и на рис. 2.

Скачать (268KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Примеры yz-проекций поверхностей ℚ и лежащих на них КП для случая массива 1 × 3, состоящего из параллелепипедов с d = h = 25 нм (использование центральной проекции приводит к перспективным искажениям; БТ – блоховские точки).

Скачать (398KB)
Метаданные
7. Рис. 6. yz-проекция (а) и xz-проекция (б) поверхности ℚ и КП; распределения намагниченности в плоских xz-сечениях (в) (для случая d = 100 нм, h = 25 нм, t = 2.5 нс). Вихри v₁ находятся на верхних гранях параллелепипедов, вихрь v₂ и антивихри av₂ находятся вблизи ребер параллелепипедов, лежащих на границе пленки.

Скачать (358KB)
Метаданные