铁磁/ 反铁磁双层膜中交换偏置

铁磁/反铁磁交换偏置在巨磁电阻器件中具有重要的应用。引起了物理学及材料学等领域内广大科学家的浓厚兴趣，本文首先阐述了交换偏置的基本性质。然后简述了交换偏置的实验研究方法；最后，着重介绍了几种主要的理论模型。     

铁磁/反铁磁双层膜中交换偏置

铁磁 /反铁磁交换偏置在巨磁电阻器件中具有重要的应用 ,引起了物理学及材料学等领域内广大科学家的浓厚兴趣。本文首先阐述了交换偏置的基本性质 ;然后简述了交换偏置的实验研究方法 ;最后 ,着重介绍了几种主要的理论模型。     

铁磁/反铁磁双层膜中冷却场对交换偏置场的影响

用铁磁畴壁模型研究了非补偿界面铁磁/反铁磁双层膜中冷却场（包括大小及其方向）对交换偏置场h_E的影响.结果表明：当冷却场的方向与反铁磁层磁易轴一致时,h_E大小与冷却场大小无关.当冷却场的方向偏离磁易轴时,h_E的大小随偏离角度的增大有缓慢的改变,但当冷却场的方向偏离到临界角度γ_c处,h_E的大小发生突变,其γ_c的大小随冷却场的增大而增大.特别是当冷却场的偏离角度大于γ_c后,h_E出现由负转正的现象,其转变点还与冷却场的大小有关.另外,h_E与铁磁层原子层数N_F的关系会发生由h_E∝N^-1_F向h_E∝N^-λ_F的转变,其中λ>1.其发生转变的条件与N_F、冷却场大小和方向密切相关. 关键词： 铁磁/反铁磁双层膜 交换偏置 冷却场     

外应力场下铁磁/反铁磁双层膜系统的铁磁共振性质

从系统能量出发，采用Smith和Beljers理论方法研究了铁磁/反铁磁双层膜系统在外应力场下的铁磁共振现象.本模型中铁磁薄层具有单轴磁晶各向异性和立方磁晶各向异性，而反铁磁层非常薄因而其能量可忽略.推导出了该系统的铁磁共振频率和频谱宽度的解析式.结果表明：外应力场仅在低磁场下对具有立方磁晶各向异性系统的铁磁共振有影响，且区分弱磁场和强磁场的临界场依赖于外应力场的方向. 关键词： 铁磁/反铁磁双层膜 交换偏置 铁磁共振 应力场     

铁磁/反铁磁/铁磁三层膜系统中反铁磁自旋结构及其交换各向异性

研究铁磁/反铁磁/铁磁三层膜中界面存在二次以及双二次交换耦合下反铁磁磁矩转动及其交换各向异性.结果表明,其反铁磁膜中的磁矩转动存在可逆"恢复行为"、不可逆"连续倒转行为"以及不可逆"中断倒转行为"三种情形,三种情形的出现强烈地依赖于两界面处的线性耦合和双二次耦合.钉扎界面的交换耦合与旋转界面的交换耦合相互竞争,当钉扎界面耦合占主导时,反铁磁磁矩发生可逆"恢复行为",系统出现交换偏置.在旋转界面耦合占主导情形下,其线性耦合与双二次耦合也相互竞争,分别导致反铁磁磁矩发生不可逆"连续倒转行为"和不可逆"中断倒转行为",系统都不出现交换偏置,但矫顽场都得以增强.相关结论为实验上观测的磁滞能耗以及界面垂直耦合提供了可能的解释.     

非磁性掺杂下的铁磁/反铁磁系统中的交换偏置和矫顽场

采用Monte Carlo方法,分别讨论了在铁磁/反铁磁双层膜和铁磁/反铁磁单层混合膜中,掺入非磁性物质后,掺杂浓度对交换偏置以及矫顽场的影响.计算结果表明:随着掺杂浓度的增大,双层膜和单层膜交换偏置都有先增大后减小的现象,而其矫顽场则先减小后增大.在相同掺杂浓度下,对随机掺杂和规则掺杂两种不同掺杂方式的结果比较发现:铁磁/反铁磁双层膜中,规则掺杂下产生的交换偏置和矫顽场都得到了增强;对于单层混合膜,随机掺杂下的交换偏置更强,规则掺杂下的矫顽场更大.研究发现对于双层膜规则掺杂可明显地导致其磁滞回线的不对称性,说明铁磁/反铁磁系统中磁滞回线的不对称性与界面自旋微结构密切相关.     

外应力场下铁磁/反铁磁双层膜系统中的交换偏置

采用自由能极小的方法研究了铁磁/反铁磁双层膜系统在外应力场下的交换各向异性.本模型中铁磁层具有单轴磁晶各向异性和立方磁晶各向异性，而反铁磁层仅具有单轴磁晶各向异性，但其厚度趋于半无穷.理论上解析地给出了系统的等效交换偏置和钉扎角(它显示了反铁磁层对铁磁层磁化的钉扎作用)与外应力场之间的关系.数值计算表明：系统的等效交换偏置与外磁场的方向有关，而与其大小无关；然而外应力场的大小和方向均对系统的等效交换偏置有影响，其根源在于外应力场的大小和方向都影响着钉扎角. 关键词： 铁磁/反铁磁双层膜 交换偏置 钉扎角 应力场     

热效应在电流驱动反铁磁/铁磁交换偏置场翻转中的显著作用

电流驱动的面内交换偏置场翻转具有无需外磁场辅助、抗磁场干扰以及强磁各向异性等优势,受到广泛关注.然而,在纳米级厚度薄膜系统中,反铁磁/铁磁异质结的阻塞温度较低,同时电流脉冲会产生大量的焦耳热,理论上电流热效应对于交换偏置场翻转有着显著作用,但是其作用机制缺乏相关研究和验证.我们制备了一系列反铁磁IrMn厚度不同的Pt/IrMn/Py异质结,系统性地研究了热效应在电流翻转交换偏置场中的作用机制.结果表明,在毫秒级电流脉冲下,焦耳热能够使得器件升温至阻塞温度以上,解除反铁磁/铁磁界面的交换耦合,同时电流产生的奥斯特场和自旋轨道矩能够翻转铁磁磁矩,在降温过程中完成交换偏置场的翻转.并且,在翻转过程中,反铁磁/铁磁异质结的各向异性磁阻曲线呈现与温度相关的两步磁化翻转现象,分析表明该现象起源于交换偏置耦合与铁磁直接交换作用之间的竞争关系.本文的研究结果厘清了热效应在电流驱动交换偏置场翻转过程中的重要作用,有助于推动基于电控交换偏置场的自旋电子器件发展.     

铁磁/反铁磁双层膜系统中交换各向异性及其厚度依赖性

研究铁磁/反铁磁双层膜系统中交换偏置场和矫顽场的冷却磁场依赖性.结果表明,随着冷却磁场的增加,交换偏置场由负值向正值转变.在转变点附近,矫顽场有-个特别的增强,并达到最大值.结果同相关实验-致.研究铁磁层和反铁磁层厚度对交换偏置场和矫顽场的影响.发现,正负交换偏置场和矫顽场随着铁磁层厚度的增大而减小,但随反铁磁层厚度的变化关系复杂.在正交换偏置场的情形,随反铁磁层厚度的增大,交换偏置场增强,矫顽场减弱;在负交换偏置场的情形,随反铁磁层厚度的增大,交换偏置场减弱,矫顽场增强.     

铁磁/反铁磁双层膜系统中的磁畴动力学行为

比较了铁磁单层膜与铁磁/反铁磁双层膜结构中的磁畴演化行为, 发现由于反铁磁层膜对铁磁层膜的耦合作用使得系统的磁畴壁厚度、 磁畴壁等效质量、磁畴壁移动速度等发生了改变, 系统的矫顽场增强, 并出现了交换偏置场. 文章具体研究了反铁磁层耦合作用下其磁畴壁厚度、 等效质量以及磁畴壁移动速度等与反铁磁层的净磁化、 磁各向异性、界面耦合强度以及温度等的关系; 并研究了其对铁磁/反铁磁双层膜中的交换偏置场、矫顽场的影响. 进而 从磁畴结构的形成及其演化上揭示了铁磁/反铁磁双 层膜中出现交换偏置以及矫顽场增加的物理机制.     

The hysteresis loops of FM/AFM two-layer Bethe lattice

The distinct hysteresis loops (HLs) of ferromagnetic/antiferromagnetic (FM/AFM) two-layer Bethe lattice with the Ising spins of the top layer having only FM interactions and the bottom ones having only AFM interactions with the interlayer coupling is either FM or AFM type are studied by using a pairwise approach. The sublattice magnetizations are studied by increasing and decreasing the external magnetic field (H) to obtain the HLs. The shapes of the HLs are strongly dependent on the competitions among the system parameters and on the phase configurations. The HLs are formed only when the AFM-type interactions are involved. The small loops of hysteresis are also formed because of the reentrant behavior in the FM region.     

Monte Carlo study of the magnetic properties and magnetocaloric effect of an AFM/FM BiFeO_3/Co bilayer

The magnetic properties and magnetocaloric effect of an antiferromagnetic/ferromagnetic(AFM/FM)BiFeO_3/Co bilayer with mixed-spin(5/2,3/2) have been studied based on Monte Carlo simulation.The magnetization, susceptibility, and critical temperature are investigated under various exchange couplings and an external magnetic field. In particular, the influence of exchange couplings and an external magnetic field on the magnetic entropy change, adiabatic temperature change, and the relative cooling power(RCP) are studied. The simulation results indicated that the decrease of the exchange coupling and the increase of external magnetic fields can cause an increase of magnetic entropy change, adiabatic temperature change, and RCP. In addition, the hysteresis loops of the system are presented for different exchange couplings and temperatures.     

磁性纳米颗粒系统偶极相互作用的Monte Carlo研究

采用局域Monte Carlo方法模拟不同易轴分布的简单立方排列单分散单畴Fe纳米颗粒系统的ZFC-FC曲线及磁滞回线.结果表明：随着偶极相互作用的增强，系统的阻塞温度T_B逐渐增大，且ZFC曲线的峰变宽.说明偶极相互作用使得系统的有效能垒提高，分布宽度增加.研究FC曲线磁化强度的倒数与温度关系，发现偶极相互作用系统中存在反铁磁有序.系统的阻塞态及超顺磁态的磁滞回线表明，极低低温下，随着偶极相互作用的增强，系统的矫顽力和剩磁减小，偶极相互作用阻碍系统的磁化；系统处于超顺磁态，各向异性作用及偶极相互作用使得系统的磁化曲线偏离Langevin曲线且偶极相互作用展现出退磁相互作用效应.偶极相互作用增强，系统磁化曲线与Langevin曲线偏差量的最大值向低场移动.在偶极相互作用下，易轴与外场夹角为45°的磁性纳米颗粒系统的平均有效能垒和有效能垒分布宽度较易轴随机分布系统的大.     

The origin of noncollinear anisotropies and asymmetric magnetization reversal in FM/AFM bilayer system

The effects of the magnitude of the uniaxial anisotropy of a ferromagnet and the cooling field on the noncollinearity between uniaxial anisotropy and induced unidirectional anisotropy in a ferromagnet/antiferromagnet bilayer system are investigated. A diagram of noncollinear anisotropies and relative negative (positive) exchange bias field dependence upon cooling field and uniaxial anisotropy of the ferromagnet is obtained. The numerical result shows that the emergence of noncollinear anisotropies originates from the action of the cooling field and uniaxial anisotropy of the ferromagnet. The noncollinearity strongly depends on the magnitude of cooling field and uniaxial anisotropy of the ferromagnet. Moreover, the effect of noncollinear anisotropies and applied field on asymmetric magnetization reversal is also investigated. Amazingly, when the magnetic field is applied collinearly with unidirectional anisotropy, the hysteresis loop of ferromagnet/antiferromagnet bilayers is always symmetric even if there are noncollinear anisotropies. Our results indicate that the asymmetry of the hysteresis loop only originates from the noncollinearity between the induced unidirectional anisotropy and the applied field, rather than from the noncollinearity between the uniaxial and unidirectional anisotropies.     

求解中子动力学方程的加权蒙特卡罗方法

为了实现基于蒙特卡罗方法的中子动力学计算,在传统的直接蒙特卡罗动力学方法的基础上,提出了一种加权蒙特卡罗动力学方法。该方法通过引入粒子权重的概念,隐式考虑中子俘获反应和裂变反应过程中中子数目的变化,避免了模拟粒子的数目随时间的变化,降低了统计偏差,消除了程序计算过程中粒子的存库操作,提高了计算精度。基于单能点堆模型,开发了中子动力学计算程序NECP-Dandi,进行了大量数值验证与分析,包括无缓发中子、单组缓发中子、六组缓发中子、正阶跃反应性引入、负阶跃反应性引入、正脉冲反应性、负脉冲反应性和正线性反应性引入等情况。数值结果表明,相比于直接蒙特卡罗动力学方法,加权蒙特卡罗动力学方法在计算结果的精度和计算效率上有较为明显的改进,程序结构更为简洁。     

均匀分布费米系统的组态路径积分蒙特卡罗模拟

改进了组态路径积分蒙卡方法,简化采样过程,开发相应程序并对无库伦相互作用谐振子以及均匀电子气进行模拟.谐振子平衡态能量与Fermi-Dirac分布符合较好,均匀电子气平衡态能量和动量基本符合Fermi-Dirac分布规律.对两种费米子系统的研究表明,组态路径积分蒙卡方法对费米子的交换效应具有较好的描述.本文探讨了费米交换符号问题的解决途径,同时对均匀电子气模型进行研究,为后续温热稠密物质的研究奠定基础.     

The Convergence of Markov Chain Monte Carlo Methods: From the Metropolis Method to Hamiltonian Monte Carlo

From its inception in the 1950s to the modern frontiers of applied statistics, Markov chain Monte Carlo has been one of the most ubiquitous and successful methods in statistical computing. The development of the method in that time has been fueled by not only increasingly difficult problems but also novel techniques adopted from physics. Here, the history of Markov chain Monte Carlo is reviewed from its inception with the Metropolis method to the contemporary state‐of‐the‐art in Hamiltonian Monte Carlo, focusing on the evolving interplay between the statistical and physical perspectives of the method.     

Monte Carlo Hamiltonian: Linear Potentials

We further study the validity of the Monte Carlo Hamiltonian method. The advantage of the method,in comparison with the standard Monte Carlo Lagrangian approach, is its capability to study the excited states. Weconsider two quantum mechanical models: a symmetric one V(x) = |x|/2; and an asymmetric one V(x) = ∞, forx ＜ 0 and V(x) = x, for x ≥ 0. The results for the spectrum, wave functions and thermodynamical observables are inagreement with the analytical or Runge-Kutta calculations.