基本信息
- 项目名称：
- 自旋矩纳米振子中的混沌抑制
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 在许多被充分研究的由外力驱动的非线性振子中，只有一小部分能有技术上的应用。最近发现的在自旋阀中由电流驱动的磁化强度振子（自旋矩纳米振子）具有吉赫兹范围可调的频率，非常适于在磁存储器件和无线电通讯中得到应用。但是，由于统治此振子中磁化强度运动的方程具有高度的非线性，在外加交流电流驱动下此振子的运动可能会发生混沌。这对其可能的实际应用是一个坏消息。本作品运用反馈原理实现自旋矩纳米振子中的混沌抑制，效果显著。
- 详细介绍：
- 自旋矩纳米振子是一个能通过自旋极化电流引起磁化强度自维持振动的自旋阀结构。S. Zhang等人在Chaotic dynamics of spin-valve oscillators[PRL99,134101(2007)]一文中提出自旋矩纳米振子在通入交变自旋极化电流后中导致混沌行为，并用李雅普诺夫指数和庞加莱倍周期分岔图进行了表征。在实际应用中，如果此类混沌发生，将导致纳米振子两端的电压不停地跳变。鉴于此，本作品提出一种自反馈的电流形式旨在于一定频率范围内抑制混沌。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本作品旨在于一定频率范围内抑制自旋矩纳米振子中的混沌。本作品结构如下，首先提出理论模型，即通过一个反馈电路实现对纳米振子加入一自调节的自旋极化电流。然后通过Landau-Lifshitz-Gilbert方程的数值模拟得到了混沌控制图，即在交流电流频率和反馈系数C的参数平面上作出混沌被抑制的区域。最后通过Poincare截面图和Lyapunov指数展示了混沌是如何被抑制的。
科学性、先进性及独特之处
- 自旋电子学是近几年凝聚态物理学的新兴学科分支，在信息存储方面有重大应用前景。混沌控制于1990年提出，是非线性科学的热门研究方向。本文的中心即是将混沌控制的原理运用于自旋矩纳米振子的动力学行为，揭示出新的物理。
应用价值和现实意义
- 自旋矩纳米振子既有望成为未来磁存储介质的单元，也可以作为微波频率的振动源加以应用。本作品揭示了它新的动力学性质，可以被实验验证，对其实际应用有指导意义。
学术论文摘要
- 本文提出一种新的可行的自调控机制来抑制由直流和交流自旋极化电流引起的自旋矩纳米振子中的混沌行为。我们通过微磁学模拟来研究磁化强度动力学，得到了一个完整的混沌控制图，揭示了在很宽的频率范围内加自调节电流可以大大削弱振子的混沌程度。
获奖情况
- Chaos suppression in a spin-torque nano-oscillator, Journal of Applied Physics 104, 093919 (2008). Journal of Applied Physics 影响因子:2.201
鉴定结果
参考文献
- (1)Z. Li, Y. Charles Li, and S. Zhang, Phys. Rev. B 74, 054417 (2006) (2)Z. Li and S. Zhang, Phys. Rev. B 68, 024404 (2003) (3)E. Ott, Chaos in dynamical Systems (Cambridge University Press, New York, 2002)
同类课题研究水平概述
- 1935年，Landau和Lifshitz在一篇文章中讨论了两个反平行磁畴之间的畴壁结构。1940年，Brown发表了几篇关于微磁学的论文，从此正式揭开了微磁学发展的序幕。随后，Brown在1963年出版的《微磁学》一书中对微磁学的基本理论进行了详细的阐述。然而在随后很长一段时间内，微磁学并没有引起人们足够的重视，直到上世纪八十年代中期，计算机的飞速发展给微磁学的发展带来了新的契机。随着磁性传感器、记录磁头和其他精密磁装置的发展，我们必须精确地知道它们的磁行为。当磁性材料接近纳米尺度时，通过微磁学模拟可以研究磁化反转过程中的磁畴结构变化，预测材料的磁特性。计算微磁学因而成为研究高密度磁存储介质和磁电子器件磁特性的有效工具。 微磁学模拟常采用的方法是Landau-Lifshitz-Gilbert方程的数值求解。对所研究的磁化强度区域也有宏观自旋、有限差分和有限元等多种研究方法。宏观自旋适用于研究磁化强度本征的动力学行为。上世纪90年代以前，磁化强度在不同形式的磁场下的翻转和进动行为已被透彻地揭示。随着一门新兴的凝聚态物理学分支——自旋电子学的蓬勃发展，特别是1996年，J. C. Slonczewski提出在自旋阀结构中自旋极化电流能实现自旋角动量的传递，Landau-Lifshitz-Gilbert方程中加入了新的自旋矩项，磁化强度动力学的研究注入了新的活力，引起了极大的关注。除了翻转和进动，自旋极化电流还能使磁化强度发生持续的混沌行为。S. Zhang等人对此混沌行为进行了细致的表征和计算，展示了在直流电流和外加磁场的参数空间内的混沌-非混沌相图。此结果是通过构造沿着分岔轨道的Melnikov积分和Lyapunov指数的计算实现的。本作品通过宏观自旋的微磁学模拟方法，在Landau-Lifshitz-Gilbert方程中加入了具有自调节形式的自旋矩项，在S. Zhang等人工作的基础上提出了一种自反馈混沌抑制的机制，实现了在微波频率范围内自旋矩纳米振子中的混沌抑制，对理论研究和实际应用都有重要指导作用。
