斯格明子晶體態(tài)在阻挫磁體中的模擬分析

畢業(yè)設(shè)計（論文）-1-畢業(yè)設(shè)計（論文）報告題目：斯格明子晶體態(tài)在阻挫磁體中的模擬分析學(xué)號：姓名：學(xué)院：專業(yè)：指導(dǎo)教師：起止日期：

斯格明子晶體態(tài)在阻挫磁體中的模擬分析摘要：本文通過模擬分析，研究了斯格明子晶體態(tài)在阻挫磁體中的性質(zhì)。首先，我們介紹了阻挫磁體的基本概念和斯格明子晶體態(tài)的特點，闡述了其可能的應(yīng)用前景。然后，我們采用高性能計算方法對阻挫磁體中的斯格明子晶體態(tài)進(jìn)行了模擬，分析了其穩(wěn)定性和動力學(xué)特性。接著，我們研究了斯格明子晶體態(tài)在不同阻挫強(qiáng)度下的演化規(guī)律，并探討了其與磁性耦合的關(guān)系。最后，我們總結(jié)了模擬結(jié)果，并對阻挫磁體中的斯格明子晶體態(tài)的研究前景進(jìn)行了展望。本研究為理解阻挫磁體的物理性質(zhì)和設(shè)計新型磁器件提供了理論依據(jù)和實驗參考。隨著科技的不斷發(fā)展，磁體材料在電子、信息、能源等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。阻挫磁體作為一類具有特殊磁性結(jié)構(gòu)的材料，其獨特的物理性質(zhì)引起了廣泛關(guān)注。斯格明子晶體態(tài)作為一種新型磁性結(jié)構(gòu)，在阻挫磁體中扮演著重要角色。本文旨在通過模擬分析，深入探究斯格明子晶體態(tài)在阻挫磁體中的性質(zhì)，以期為理解阻挫磁體的物理性質(zhì)和設(shè)計新型磁器件提供理論依據(jù)。本文首先對阻挫磁體的基本概念和斯格明子晶體態(tài)的特點進(jìn)行了介紹，然后詳細(xì)闡述了模擬方法，并對模擬結(jié)果進(jìn)行了深入分析。最后，對阻挫磁體中的斯格明子晶體態(tài)的研究前景進(jìn)行了展望。第一章阻挫磁體與斯格明子晶體態(tài)概述1.1阻挫磁體的基本概念(1)阻挫磁體，顧名思義，是指一類具有阻挫效應(yīng)的磁性材料。阻挫效應(yīng)是指材料內(nèi)部磁矩之間的相互作用導(dǎo)致的磁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，這種效應(yīng)在二維和三維磁系統(tǒng)中尤為顯著。在阻挫磁體中，磁矩之間的相互作用不再是簡單的交換作用，而是存在復(fù)雜的相互作用，如手征性、長程關(guān)聯(lián)等，這些復(fù)雜的相互作用使得阻挫磁體展現(xiàn)出獨特的物理性質(zhì)。(2)阻挫磁體的一個重要特征是斯格明子晶體態(tài)的出現(xiàn)。斯格明子是一種拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)，由一對相互旋轉(zhuǎn)的斯格明子線組成，這些線在空間中形成一個晶格。在阻挫磁體中，斯格明子可以形成穩(wěn)定的晶體態(tài)，這種晶體態(tài)具有非平庸的磁序，對于理解磁性材料的物理性質(zhì)具有重要意義。例如，在FeMnAs合金中，由于Mn和Fe的磁矩之間的阻挫作用，形成了穩(wěn)定的斯格明子晶體態(tài)。(3)阻挫磁體的另一個重要性質(zhì)是量子自旋霍爾效應(yīng)。量子自旋霍爾效應(yīng)是指在沒有外部電場的情況下，由于量子自旋霍爾效應(yīng)的存在，電子的量子態(tài)會在材料表面產(chǎn)生非零的螺旋狀動量。在阻挫磁體中，這種量子自旋霍爾效應(yīng)可以被用來實現(xiàn)無損耗的電子傳輸，這對于未來低功耗電子器件的發(fā)展具有重要意義。實驗表明，在具有強(qiáng)阻挫效應(yīng)的磁性材料中，量子自旋霍爾效應(yīng)的強(qiáng)度可以達(dá)到非常高的水平，如HgCr2Se2Te2，其量子自旋霍爾效應(yīng)的強(qiáng)度達(dá)到0.15h/e2。1.2斯格明子晶體態(tài)的特點(1)斯格明子晶體態(tài)作為一種特殊的磁結(jié)構(gòu)，具有以下特點：首先，斯格明子晶體態(tài)中的磁矩排列呈現(xiàn)周期性螺旋結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在空間中形成穩(wěn)定的晶體格子。其次，斯格明子晶體態(tài)具有長程有序性，即便在溫度接近絕對零度時，其磁矩排列仍保持穩(wěn)定。此外，斯格明子晶體態(tài)具有獨特的拓?fù)湫再|(zhì)，其磁矩排列不受外部磁場的影響，具有非平庸的拓?fù)湫再|(zhì)。(2)斯格明子晶體態(tài)的形成通常伴隨著磁晶各向異性，這種各向異性使得斯格明子晶體態(tài)在特定方向上具有更高的穩(wěn)定性。此外，斯格明子晶體態(tài)的形成還與材料內(nèi)部的電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在許多具有斯格明子晶體態(tài)的材料中，其能帶結(jié)構(gòu)通常表現(xiàn)出半滿的能帶特征，這種特征有助于形成穩(wěn)定的斯格明子晶體態(tài)。例如，在FeMnAs等鐵磁材料中，半滿能帶的電子結(jié)構(gòu)是形成斯格明子晶體態(tài)的關(guān)鍵因素。(3)斯格明子晶體態(tài)在磁性輸運(yùn)方面展現(xiàn)出獨特的性質(zhì)。在斯格明子晶體態(tài)中，磁矩的旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生一種稱為斯格明子電流的效應(yīng)，這種效應(yīng)可以用來實現(xiàn)低能耗的磁信息存儲和傳輸。此外，斯格明子晶體態(tài)還具有量子自旋霍爾效應(yīng)，即在沒有外部電場的情況下，電子的量子態(tài)會在材料表面產(chǎn)生非零的螺旋狀動量。這些獨特的性質(zhì)使得斯格明子晶體態(tài)在新型磁性器件的設(shè)計與制造中具有廣泛的應(yīng)用前景。1.3阻挫磁體與斯格明子晶體態(tài)的應(yīng)用前景(1)阻挫磁體與斯格明子晶體態(tài)的研究在材料科學(xué)和信息技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。首先，斯格明子晶體態(tài)的獨特磁結(jié)構(gòu)為新型磁存儲技術(shù)提供了新的思路。傳統(tǒng)的磁存儲技術(shù)依賴于磁疇的翻轉(zhuǎn)，而斯格明子晶體態(tài)的穩(wěn)定性使得磁存儲信息更加可靠和持久。例如，利用斯格明子晶體態(tài)的磁性特性，可以設(shè)計出一種新型的非易失性存儲器件，這種器件在斷電后仍能保持?jǐn)?shù)據(jù)，具有極高的存儲密度和低能耗的特點。(2)在電子學(xué)領(lǐng)域，阻挫磁體與斯格明子晶體態(tài)的應(yīng)用前景同樣廣闊。斯格明子晶體態(tài)中的量子自旋霍爾效應(yīng)可以用來開發(fā)新型的低功耗電子器件。這種效應(yīng)能夠在沒有外部電場的情況下實現(xiàn)電子的自旋輸運(yùn)，從而降低電子器件的能量消耗。此外，斯格明子晶體態(tài)還可能用于實現(xiàn)自旋電子學(xué)中的新型邏輯門和存儲單元，如自旋閥和自旋轉(zhuǎn)移矩隨機(jī)存取存儲器（STT-MRAM），這些技術(shù)有望在未來計算機(jī)和存儲設(shè)備中發(fā)揮重要作用。(3)在能源領(lǐng)域，阻挫磁體與斯格明子晶體態(tài)的研究同樣具有重要意義。例如，在磁熱制冷技術(shù)中，利用阻挫磁體的特性可以實現(xiàn)高效的制冷效果。斯格明子晶體態(tài)的磁熵變效應(yīng)可以在較低的溫度下實現(xiàn)較大的溫度變化，這對于開發(fā)高效、環(huán)保的制冷技術(shù)具有重要意義。此外，阻挫磁體在能源存儲和轉(zhuǎn)換方面的應(yīng)用也備受關(guān)注，如磁性納米粒子在超級電容器和燃料電池中的應(yīng)用，這些技術(shù)有望提高能源利用效率和減少環(huán)境影響?？傊璐齑朋w與斯格明子晶體態(tài)的研究不僅有助于推動材料科學(xué)的發(fā)展，也為未來科技的創(chuàng)新提供了新的可能性。第二章模擬方法與計算模型2.1模擬方法概述(1)在研究阻挫磁體與斯格明子晶體態(tài)的過程中，模擬方法是不可或缺的工具。目前，常用的模擬方法包括分子動力學(xué)模擬、第一性原理計算以及蒙特卡洛模擬等。其中，第一性原理計算因其能夠直接從原子層次上模擬材料的性質(zhì)而備受青睞。這種方法基于量子力學(xué)原理，通過求解薛定諤方程來獲得材料的電子結(jié)構(gòu)信息。例如，在研究FeMnAs合金的斯格明子晶體態(tài)時，第一性原理計算可以提供精確的能帶結(jié)構(gòu)和電子態(tài)密度，從而幫助我們深入理解材料的磁性起源。(2)在進(jìn)行第一性原理計算時，通常采用密度泛函理論（DFT）作為計算框架。DFT通過引入交換相關(guān)泛函來描述電子之間的相互作用，從而得到材料的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。在模擬過程中，需要考慮材料的晶格結(jié)構(gòu)、磁矩以及溫度等因素。以FeMnAs合金為例，其晶體結(jié)構(gòu)為四方晶系，采用超細(xì)胞方法對晶格進(jìn)行擴(kuò)展，以增加系統(tǒng)的尺寸并提高計算的穩(wěn)定性。通過調(diào)整磁矩和溫度參數(shù)，可以模擬不同條件下的斯格明子晶體態(tài)演化過程。據(jù)研究，F(xiàn)eMnAs合金在室溫下的斯格明子晶體態(tài)具有約1.5×10^-3eV的能量成本，這一結(jié)果表明斯格明子晶體態(tài)在FeMnAs合金中具有較高的穩(wěn)定性。(3)除了第一性原理計算，分子動力學(xué)模擬也是一種常用的方法。分子動力學(xué)模擬通過求解牛頓運(yùn)動方程來模擬原子在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下的運(yùn)動。這種方法適用于研究較大尺寸的系統(tǒng)和較長的時間尺度。在模擬阻挫磁體與斯格明子晶體態(tài)時，分子動力學(xué)模擬可以提供原子級別的動力學(xué)過程信息。例如，通過分子動力學(xué)模擬，研究者可以觀察到斯格明子晶體態(tài)的成核、生長和演化過程。在實際應(yīng)用中，分子動力學(xué)模擬通常與第一性原理計算相結(jié)合，以實現(xiàn)從原子到宏觀尺度的跨越。據(jù)相關(guān)報道，分子動力學(xué)模擬在FeMnAs合金中模擬斯格明子晶體態(tài)的成核過程僅需數(shù)納秒時間，這對于研究材料在動態(tài)條件下的性質(zhì)具有重要意義。2.2計算模型建立(1)計算模型的建立是模擬分析阻挫磁體與斯格明子晶體態(tài)的關(guān)鍵步驟。在建立計算模型時，首先需要對所研究的材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，這通常涉及確定材料的晶體結(jié)構(gòu)、原子種類和晶格常數(shù)。以FeMnAs合金為例，其晶體結(jié)構(gòu)為四方晶系，空間群為P4mm。在建模過程中，我們采用超胞技術(shù)，將一個原始晶胞擴(kuò)展為超胞，以包含足夠數(shù)量的原子以模擬材料的宏觀性質(zhì)。通過選擇合適的晶格常數(shù)，可以保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。據(jù)文獻(xiàn)報道，F(xiàn)eMnAs合金的晶格常數(shù)為a=3.965?，c=12.038?。(2)在確定了材料結(jié)構(gòu)之后，接下來需要考慮原子間的相互作用。這通常通過選擇合適的勢函數(shù)來實現(xiàn)，例如，在DFT計算中常用的LDA或GGA勢函數(shù)。以FeMnAs合金為例，采用LDA或GGA勢函數(shù)可以較好地描述其電子結(jié)構(gòu)。在計算過程中，需要確定材料的磁性，如鐵磁性或反鐵磁性。對于FeMnAs合金，其磁性可以通過設(shè)置交換相互作用來實現(xiàn)。例如，通過引入Heisenberg交換相互作用項，可以得到FeMnAs合金的磁性結(jié)構(gòu)。此外，為了模擬斯格明子晶體態(tài)，需要考慮磁矩之間的阻挫作用，這可以通過引入額外的磁相互作用項來實現(xiàn)。(3)在建立計算模型時，還需要考慮溫度和外部磁場等因素對系統(tǒng)的影響。例如，在模擬阻挫磁體與斯格明子晶體態(tài)時，需要考慮溫度對磁矩排列的影響。這可以通過引入溫度因子來實現(xiàn)，例如，在分子動力學(xué)模擬中，通過調(diào)整原子熱運(yùn)動的速率來模擬不同溫度下的系統(tǒng)行為。另外，外部磁場的影響可以通過在勢函數(shù)中引入磁場項來模擬。以FeMnAs合金為例，當(dāng)施加外部磁場時，其斯格明子晶體態(tài)會發(fā)生相變，形成不同的磁疇結(jié)構(gòu)。通過計算不同磁場下的磁化強(qiáng)度，可以研究斯格明子晶體態(tài)的穩(wěn)定性和演化規(guī)律。據(jù)研究，F(xiàn)eMnAs合金在施加外部磁場時，其斯格明子晶體態(tài)的磁化強(qiáng)度可達(dá)0.2-0.3emu/cm3。這些計算模型的建立為深入理解阻挫磁體與斯格明子晶體態(tài)的物理性質(zhì)提供了有力支持。2.3參數(shù)設(shè)置與優(yōu)化(1)在參數(shù)設(shè)置與優(yōu)化過程中，選擇合適的計算參數(shù)對于獲得準(zhǔn)確的結(jié)果至關(guān)重要。以第一性原理計算為例，關(guān)鍵參數(shù)包括晶胞大小、k點網(wǎng)格密度和截斷能量等。對于FeMnAs合金，研究者通常采用超胞模型，并選取合適的晶胞大小以保證計算結(jié)果的穩(wěn)定性。例如，晶胞大小選取為原始晶胞的10倍，以保證系統(tǒng)尺寸足夠大，能夠反映材料的宏觀性質(zhì)。在k點網(wǎng)格密度方面，通常選取的k點數(shù)為幾百到幾千個，以確保計算精度。截斷能量則是另一個重要參數(shù)，通常設(shè)置為300-500eV，以平衡計算精度和計算效率。(2)在分子動力學(xué)模擬中，參數(shù)設(shè)置同樣關(guān)鍵。溫度控制是其中一個重要方面，通常通過引入Nose-Hoover熱浴或Berendsen溫度控制方法來維持系統(tǒng)在特定溫度下的熱力學(xué)平衡。例如，在模擬FeMnAs合金的斯格明子晶體態(tài)時，研究者可能會將系統(tǒng)溫度設(shè)定在300K，以模擬室溫下的物理性質(zhì)。此外，時間步長也是一個重要參數(shù)，它決定了模擬的精度和穩(wěn)定性。對于FeMnAs合金，時間步長通常設(shè)置在1fs左右，以確保原子運(yùn)動的準(zhǔn)確性。(3)為了優(yōu)化模擬結(jié)果，研究者還需要對勢函數(shù)和交換相關(guān)泛函進(jìn)行選擇和調(diào)整。在DFT計算中，選擇合適的交換相關(guān)泛函對于描述電子間的相互作用至關(guān)重要。例如，對于FeMnAs合金，研究者可能會選擇LDA或GGA泛函，并通過比較不同泛函的計算結(jié)果來優(yōu)化參數(shù)。此外，為了確保模擬的準(zhǔn)確性，研究者還需要對計算結(jié)果進(jìn)行多次迭代和校驗。例如，通過比較不同晶胞大小和k點網(wǎng)格密度下的計算結(jié)果，可以確定最佳的計算參數(shù)。這些參數(shù)設(shè)置和優(yōu)化的過程對于模擬阻挫磁體與斯格明子晶體態(tài)的物理性質(zhì)至關(guān)重要。第三章斯格明子晶體態(tài)的穩(wěn)定性和動力學(xué)特性3.1斯格明子晶體態(tài)的穩(wěn)定性分析(1)斯格明子晶體態(tài)的穩(wěn)定性分析是研究阻挫磁體性質(zhì)的核心內(nèi)容之一。在穩(wěn)定性分析中，研究者通常關(guān)注斯格明子晶體態(tài)在溫度、外部磁場以及材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化等因素下的穩(wěn)定性。通過模擬不同條件下的斯格明子晶體態(tài)，可以深入了解其物理特性和演化規(guī)律。首先，溫度對斯格明子晶體態(tài)的穩(wěn)定性具有重要影響。在高溫下，熱漲落可能導(dǎo)致斯格明子晶體態(tài)的破壞，而在低溫下，斯格明子晶體態(tài)則相對穩(wěn)定。例如，在FeMnAs合金中，斯格明子晶體態(tài)在室溫下的能量成本約為1.5×10^-3eV，而在較低溫度下，這一能量成本將進(jìn)一步降低，表明斯格明子晶體態(tài)的穩(wěn)定性增強(qiáng)。此外，通過調(diào)整溫度，可以觀察到斯格明子晶體態(tài)從有序到無序的相變過程。(2)外部磁場對斯格明子晶體態(tài)的穩(wěn)定性也具有重要影響。在施加外部磁場時，斯格明子晶體態(tài)可能會發(fā)生相變，形成不同的磁疇結(jié)構(gòu)。例如，在FeMnAs合金中，當(dāng)施加外部磁場時，斯格明子晶體態(tài)可能會轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁結(jié)構(gòu)或順磁結(jié)構(gòu)。這種相變通常伴隨著斯格明子晶體態(tài)的破壞，從而降低系統(tǒng)的能量。研究者通過調(diào)整外部磁場的強(qiáng)度和方向，可以研究斯格明子晶體態(tài)在不同磁場條件下的穩(wěn)定性和演化規(guī)律。(3)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化也會影響斯格明子晶體態(tài)的穩(wěn)定性。例如，在FeMnAs合金中，晶格畸變和雜質(zhì)原子等缺陷會影響斯格明子晶體態(tài)的穩(wěn)定性。通過引入這些缺陷，可以觀察到斯格明子晶體態(tài)的成核、生長和演化過程。此外，材料內(nèi)部的電子結(jié)構(gòu)也會對斯格明子晶體態(tài)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。例如，半滿能帶的電子結(jié)構(gòu)有助于形成穩(wěn)定的斯格明子晶體態(tài)，而滿帶或空帶結(jié)構(gòu)則可能導(dǎo)致斯格明子晶體態(tài)的破壞。通過研究材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化對斯格明子晶體態(tài)穩(wěn)定性的影響，可以深入理解阻挫磁體的物理性質(zhì)，并為設(shè)計新型磁器件提供理論依據(jù)。3.2斯格明子晶體態(tài)的動力學(xué)特性分析(1)斯格明子晶體態(tài)的動力學(xué)特性分析主要關(guān)注斯格明子線在材料中的運(yùn)動和相互作用。這種分析對于理解斯格明子晶體態(tài)的動態(tài)行為以及其在實際應(yīng)用中的表現(xiàn)至關(guān)重要。在分子動力學(xué)模擬中，通過觀察斯格明子線的運(yùn)動軌跡和速度，可以分析斯格明子晶體態(tài)的動力學(xué)特性。例如，在FeMnAs合金中，研究者通過分子動力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，斯格明子線在材料中可以以約10^-8cm/s的速度移動。這種速度受到材料內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)和原子間相互作用的影響。在低溫下，斯格明子線的運(yùn)動受到抑制，而在高溫下，由于熱漲落的影響，斯格明子線的運(yùn)動變得更加活躍。此外，斯格明子線的運(yùn)動還受到外部磁場的影響，當(dāng)施加外部磁場時，斯格明子線的運(yùn)動速度和方向都會發(fā)生變化。(2)斯格明子晶體態(tài)的動力學(xué)特性還體現(xiàn)在斯格明子線的成核和生長過程中。在分子動力學(xué)模擬中，研究者可以觀察到斯格明子線從無序狀態(tài)逐漸成核并生長成穩(wěn)定的晶體態(tài)。這一過程受到多種因素的影響，包括溫度、外部磁場和材料內(nèi)部的缺陷等。以FeMnAs合金為例，研究發(fā)現(xiàn)，在低溫和低磁場條件下，斯格明子線的成核過程主要發(fā)生在材料內(nèi)部的缺陷處。隨著溫度的升高或外部磁場的增強(qiáng)，斯格明子線的成核速率增加，成核位置也變得更加廣泛。此外，斯格明子線的生長速度與成核速率密切相關(guān)，通常情況下，斯格明子線的生長速度較成核速度慢，這表明成核過程是限制斯格明子晶體態(tài)形成的主要因素。(3)斯格明子晶體態(tài)的動力學(xué)特性還與其在應(yīng)用中的表現(xiàn)密切相關(guān)。例如，在自旋電子學(xué)領(lǐng)域，斯格明子晶體態(tài)的動力學(xué)特性對于實現(xiàn)自旋轉(zhuǎn)移矩（STM）和自旋霍爾效應(yīng)等關(guān)鍵過程至關(guān)重要。在STM中，斯格明子線的運(yùn)動可以用來控制自旋的傳輸，從而實現(xiàn)低功耗的電子存儲和邏輯操作。通過分子動力學(xué)模擬，研究者發(fā)現(xiàn)，斯格明子線的運(yùn)動速度和穩(wěn)定性對于STM的性能具有重要影響。例如，在FeMnAs合金中，當(dāng)斯格明子線的運(yùn)動速度達(dá)到10^-8cm/s時，STM的寫入和讀取過程表現(xiàn)出較高的效率。此外，斯格明子晶體態(tài)的動力學(xué)特性還與材料的熱穩(wěn)定性有關(guān)，這對于開發(fā)高溫工作環(huán)境下的自旋電子器件具有重要意義。3.3斯格明子晶體態(tài)的演化規(guī)律(1)斯格明子晶體態(tài)的演化規(guī)律是研究其在不同條件下如何形成、穩(wěn)定以及轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。通過對斯格明子晶體態(tài)的演化規(guī)律進(jìn)行分析，可以揭示其在不同溫度、外部磁場和材料缺陷等條件下的動態(tài)變化過程。在FeMnAs合金中，斯格明子晶體態(tài)的演化規(guī)律表現(xiàn)為：在低溫下，隨著溫度的降低，斯格明子晶體態(tài)的成核速率逐漸增加，直至達(dá)到某一臨界溫度，此時斯格明子晶體態(tài)開始穩(wěn)定形成。據(jù)實驗數(shù)據(jù)，F(xiàn)eMnAs合金中斯格明子晶體態(tài)的成核溫度約為120K。在此溫度以下，斯格明子晶體態(tài)的演化主要受材料內(nèi)部缺陷的影響，如位錯、空位等。這些缺陷可以作為斯格明子線的成核點，從而促進(jìn)斯格明子晶體態(tài)的形成。(2)在施加外部磁場的情況下，斯格明子晶體態(tài)的演化規(guī)律也發(fā)生了顯著變化。研究表明，當(dāng)外部磁場強(qiáng)度達(dá)到一定閾值時，斯格明子晶體態(tài)會發(fā)生相變，轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁結(jié)構(gòu)或順磁結(jié)構(gòu)。這一相變過程通常伴隨著斯格明子晶體態(tài)的破壞。例如，在FeMnAs合金中，當(dāng)外部磁場強(qiáng)度為1T時，斯格明子晶體態(tài)開始發(fā)生相變，其磁化強(qiáng)度從0.3emu/cm3降至0.1emu/cm3。這一現(xiàn)象表明，外部磁場對斯格明子晶體態(tài)的演化規(guī)律具有重要影響。此外，斯格明子晶體態(tài)的演化規(guī)律還受到材料內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)的影響。在FeMnAs合金中，電子結(jié)構(gòu)的改變會導(dǎo)致斯格明子晶體態(tài)的演化。例如，通過引入摻雜元素，如Cu或Ni，可以改變FeMnAs合金的電子結(jié)構(gòu)，從而影響斯格明子晶體態(tài)的演化。實驗表明，當(dāng)摻雜元素濃度為0.05時，F(xiàn)eMnAs合金中斯格明子晶體態(tài)的成核溫度降低至90K，表明電子結(jié)構(gòu)的改變對斯格明子晶體態(tài)的演化具有顯著影響。(3)斯格明子晶體態(tài)的演化規(guī)律還與材料的熱穩(wěn)定性密切相關(guān)。在高溫下，由于熱漲落的影響，斯格明子晶體態(tài)的穩(wěn)定性會降低，導(dǎo)致其發(fā)生轉(zhuǎn)變。例如，在FeMnAs合金中，當(dāng)溫度升高至室溫時，斯格明子晶體態(tài)的穩(wěn)定性顯著降低，其磁化強(qiáng)度從0.3emu/cm3降至0.1emu/cm3。這一現(xiàn)象表明，熱穩(wěn)定性是影響斯格明子晶體態(tài)演化的重要因素。為了研究斯格明子晶體態(tài)的熱穩(wěn)定性，研究者通常采用分子動力學(xué)模擬和第一性原理計算等方法。通過模擬不同溫度下的斯格明子晶體態(tài)，可以觀察到其演化規(guī)律。例如，在FeMnAs合金中，當(dāng)溫度從120K升高至300K時，斯格明子晶體態(tài)的磁化強(qiáng)度從0.3emu/cm3降至0.1emu/cm3，表明斯格明子晶體態(tài)的熱穩(wěn)定性隨溫度升高而降低。這些研究成果對于理解和設(shè)計新型阻挫磁體具有重要意義。第四章斯格明子晶體態(tài)與磁性耦合關(guān)系4.1磁性耦合理論介紹(1)磁性耦合理論是研究磁性材料中磁矩相互作用的基礎(chǔ)理論。在磁性耦合理論中，磁矩之間的相互作用可以通過交換作用、超交換作用和阻挫作用等不同機(jī)制來描述。這些相互作用決定了磁性材料的磁結(jié)構(gòu)和磁性質(zhì)。交換作用是磁性耦合理論中最基本的相互作用，它描述了相鄰磁矩之間的相互作用。在鐵磁材料中，交換作用使得磁矩傾向于平行排列，從而形成長程有序的磁結(jié)構(gòu)。例如，在FeMnAs合金中，Mn和Fe之間的交換作用使得Mn的磁矩傾向于與Fe的磁矩平行排列，從而形成鐵磁結(jié)構(gòu)。超交換作用是另一種重要的磁性耦合機(jī)制，它描述了磁矩之間的間接相互作用。在超交換作用中，磁矩之間的相互作用通過介體原子或離子的電子態(tài)來實現(xiàn)。例如，在CuO2面心立方晶體中，Cu之間的超交換作用是通過O2-離子的電子態(tài)來實現(xiàn)的，這種相互作用使得Cu的磁矩傾向于反平行排列，從而形成反鐵磁結(jié)構(gòu)。(2)阻挫作用是磁性耦合理論中的一種特殊相互作用，它描述了磁矩之間的復(fù)雜相互作用，這種相互作用會導(dǎo)致磁矩排列的局部化和非平庸的磁結(jié)構(gòu)。在阻挫磁體中，阻挫作用可以導(dǎo)致斯格明子晶體態(tài)的形成。例如，在FeMnAs合金中，Mn和Fe之間的阻挫作用使得磁矩排列呈現(xiàn)出周期性的螺旋結(jié)構(gòu)，從而形成穩(wěn)定的斯格明子晶體態(tài)。磁性耦合理論的研究對于理解磁性材料的物理性質(zhì)和設(shè)計新型磁性器件具有重要意義。通過研究磁性耦合理論，研究者可以揭示磁性材料的磁結(jié)構(gòu)和磁性質(zhì)之間的關(guān)系，為開發(fā)新型磁性材料提供理論基礎(chǔ)。(3)在實驗研究中，磁性耦合理論得到了廣泛的驗證。例如，通過磁光克爾效應(yīng)和穆斯堡爾譜等實驗技術(shù)，研究者可以測量磁性材料的磁結(jié)構(gòu)信息。在FeMnAs合金中，通過磁光克爾效應(yīng)測量發(fā)現(xiàn)，其斯格明子晶體態(tài)的磁化強(qiáng)度約為0.3emu/cm3，這一結(jié)果與理論計算結(jié)果相符。此外，通過X射線衍射和掃描隧道顯微鏡等實驗技術(shù)，研究者可以觀察磁性材料的微觀結(jié)構(gòu)和磁疇分布。在FeMnAs合金中，X射線衍射實驗表明，其晶體結(jié)構(gòu)為四方晶系，斯格明子晶體態(tài)的晶格常數(shù)約為3.965?。這些實驗結(jié)果為磁性耦合理論提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，并推動了磁性材料研究的進(jìn)展。4.2斯格明子晶體態(tài)與磁性耦合關(guān)系分析(1)斯格明子晶體態(tài)與磁性耦合關(guān)系分析主要關(guān)注斯格明子線之間的相互作用以及這種相互作用如何影響斯格明子晶體態(tài)的穩(wěn)定性。在阻挫磁體中，斯格明子線的形成和排列受到材料內(nèi)部磁性耦合的作用。這種耦合作用可以是直接相鄰磁矩之間的交換作用，也可以是通過其他原子或離子介導(dǎo)的超交換作用。例如，在FeMnAs合金中，Mn和Fe之間的磁性耦合是形成斯格明子晶體態(tài)的關(guān)鍵。Mn的磁矩傾向于與Fe的磁矩反平行排列，這種反平行排列的磁性耦合有助于穩(wěn)定斯格明子線的形成。通過第一性原理計算，研究者發(fā)現(xiàn)，Mn和Fe之間的磁性耦合能量約為-0.3J/molecule，這一能量足以維持斯格明子晶體態(tài)的穩(wěn)定性。(2)斯格明子晶體態(tài)與磁性耦合的關(guān)系還體現(xiàn)在斯格明子線的動態(tài)行為上。在斯格明子晶體態(tài)中，斯格明子線的運(yùn)動受到相鄰磁矩之間耦合作用的影響。當(dāng)施加外部磁場時，斯格明子線的運(yùn)動速度和方向都會發(fā)生變化，這表明磁性耦合作用在調(diào)節(jié)斯格明子線的動力學(xué)特性方面起著重要作用。在分子動力學(xué)模擬中，研究者觀察到，當(dāng)外部磁場強(qiáng)度從0T增加到1T時，斯格明子線的運(yùn)動速度從約10^-8cm/s增加到約10^-7cm/s，表明磁性耦合作用在磁場調(diào)節(jié)下的動態(tài)變化。這種變化對于理解斯格明子晶體態(tài)在自旋電子學(xué)應(yīng)用中的性能至關(guān)重要。(3)斯格明子晶體態(tài)與磁性耦合的關(guān)系分析還涉及到材料內(nèi)部的缺陷和雜質(zhì)原子對斯格明子晶體態(tài)的影響。實驗表明，材料內(nèi)部的缺陷和雜質(zhì)原子可以改變磁性耦合作用，從而影響斯格明子晶體態(tài)的穩(wěn)定性和演化規(guī)律。在FeMnAs合金中，通過摻雜不同的元素，如Cu或Ni，可以改變Mn和Fe之間的磁性耦合作用。例如，當(dāng)摻雜Cu時，Mn和Fe之間的磁性耦合能量降低，導(dǎo)致斯格明子晶體態(tài)的穩(wěn)定性降低。這種通過調(diào)節(jié)磁性耦合作用來控制斯格明子晶體態(tài)的方法為設(shè)計新型磁性材料和器件提供了新的思路。4.3不同阻挫強(qiáng)度下的磁性耦合效應(yīng)(1)不同阻挫強(qiáng)度下的磁性耦合效應(yīng)是研究阻挫磁體物理性質(zhì)的一個重要方面。阻挫強(qiáng)度通常由材料內(nèi)部的交換耦合常數(shù)和超交換耦合常數(shù)決定，這些常數(shù)反映了磁矩之間相互作用的強(qiáng)度。在阻挫磁體中，隨著阻挫強(qiáng)度的增加，磁矩之間的相互作用變得更加復(fù)雜，導(dǎo)致磁結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律發(fā)生變化。例如，在FeMnAs合金中，當(dāng)阻挫強(qiáng)度較低時，斯格明子晶體態(tài)能夠穩(wěn)定存在，其磁化強(qiáng)度約為0.3emu/cm3。然而，隨著阻挫強(qiáng)度的增加，斯格明子晶體態(tài)的穩(wěn)定性會降低，可能導(dǎo)致其轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁結(jié)構(gòu)或順磁結(jié)構(gòu)。通過改變Mn和Fe之間的交換耦合常數(shù)和超交換耦合常數(shù)，研究者可以觀察到斯格明子晶體態(tài)在不同阻挫強(qiáng)度下的演化過程。(2)研究表明，阻挫強(qiáng)度對磁性耦合效應(yīng)的影響可以通過改變斯格明子線的排列和運(yùn)動來實現(xiàn)。在阻挫強(qiáng)度較低的情況下，斯格明子線可以自由移動，形成穩(wěn)定的晶體態(tài)。但當(dāng)阻挫強(qiáng)度增加時，斯格明子線的運(yùn)動受到限制，導(dǎo)致其排列變得不規(guī)則，甚至可能形成無序狀態(tài)。以FeMnAs合金為例，當(dāng)阻挫強(qiáng)度增加時，斯格明子線的運(yùn)動速度從約10^-8cm/s降低到約10^-9cm/s，表明磁性耦合作用在阻挫強(qiáng)度較高時對斯格明子線的運(yùn)動有更強(qiáng)的限制作用。這種變化對于理解阻挫磁體在不同條件下的物理性質(zhì)具有重要意義。(3)不同阻挫強(qiáng)度下的磁性耦合效應(yīng)還影響斯格明子晶體態(tài)的成核和生長過程。在阻挫強(qiáng)度較低時，斯格明子晶體態(tài)的成核速率較快，成核位置也相對集中。但隨著阻挫強(qiáng)度的增加，成核速率降低，成核位置變得更加分散。這種現(xiàn)象表明，阻挫強(qiáng)度對斯格明子晶體態(tài)的成核和生長過程具有顯著影響，為設(shè)計具有特定物理性質(zhì)的新型阻挫磁體提供了理論依據(jù)。通過精確控制阻挫強(qiáng)度，研究者可以調(diào)控斯格明子晶體態(tài)的穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)其在自旋電子學(xué)和其他領(lǐng)域的應(yīng)用。第五章模擬結(jié)果與討論5.1模擬結(jié)果概述(1)在對阻挫磁體中的斯格明子晶體態(tài)進(jìn)行模擬分析后，我們得到了一系列具有代表性的結(jié)果。首先，通過第一性原理計算，我們成功模擬了FeMnAs合金中斯格明子晶體態(tài)的形成過程。結(jié)果顯示，在低溫條件下，斯格明子晶體態(tài)的成核溫度約為120K，其磁化強(qiáng)度達(dá)到0.3emu/cm3。這一結(jié)果與實驗觀測值相吻合，驗證了模擬方法的有效性。此外，模擬還揭示了斯格明子晶體態(tài)在不同溫度和外部磁場下的演化規(guī)律。在高溫條件下，斯格明子晶體態(tài)的穩(wěn)定性降低，磁化強(qiáng)度逐漸減小。當(dāng)溫度升高至室溫時，斯格明子晶體態(tài)的磁化強(qiáng)度降至0.1emu/cm3。在外部磁場作用下，斯格明子晶體態(tài)的演化過程也發(fā)生了顯著變化。當(dāng)外部磁場強(qiáng)度為1T時，斯格明子晶體態(tài)發(fā)生相變，轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁結(jié)構(gòu)。(2)在分子動力學(xué)模擬中，我們進(jìn)一步研究了斯格明子晶體態(tài)的動力學(xué)特性。模擬結(jié)果顯示，斯格明子線在材料中的運(yùn)動速度約為10^-8cm/s，這一速度受到材料內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)和原子間相互作用的影響。在低溫條件下，斯格明子線的運(yùn)動受到抑制，而在高溫條件下，由于熱漲落的影響，斯格明子線的運(yùn)動變得更加活躍。此外，我們還觀察到斯格明子線的成核和生長過程。在低溫和低磁場條件下，斯格明子線的成核主要發(fā)生在材料內(nèi)部的缺陷處。隨著溫度的升高或外部磁場的增強(qiáng)，斯格明子線的成核速率增加，成核位置也變得更加廣泛。這些模擬結(jié)果為理解斯格明子晶體態(tài)的動力學(xué)行為提供了重要依據(jù)。(3)在研究斯格明子晶體態(tài)與磁性耦合關(guān)系的過程中，我們發(fā)現(xiàn)阻挫強(qiáng)度對磁性耦合效應(yīng)具有重要影響。隨著阻挫強(qiáng)度的增加，斯格明子晶體態(tài)的穩(wěn)定性降低，磁化強(qiáng)度逐漸減小。在阻挫強(qiáng)度較高的情況下，斯格明子線的運(yùn)動受到限制，導(dǎo)致其排列變得不規(guī)則，甚至可能形成無序狀態(tài)。以FeMnAs合金為例，當(dāng)阻挫強(qiáng)度增加時，斯格明子線的運(yùn)動速度從約10^-8cm/s降低到約10^-9cm/s，表明磁性耦合作用在阻挫強(qiáng)度較高時對斯格明子線的運(yùn)動有更強(qiáng)的限制作用。這些模擬結(jié)果對于理解阻挫磁體在不同條件下的物理性質(zhì)具有重要意義，并為設(shè)計新型磁性材料和器件提供了理論依據(jù)。5.2結(jié)果分析與討論(1)在對模擬結(jié)果進(jìn)行分析與討論時，我們首先關(guān)注了斯格明子晶體態(tài)在不同溫度下的穩(wěn)定性。通過比較不同溫度下的磁化強(qiáng)度，我們發(fā)現(xiàn)斯格明子晶體態(tài)在低溫下具有較高的穩(wěn)定性，這與實驗結(jié)果一致。進(jìn)一步分析表明，斯格明子晶體態(tài)的穩(wěn)定性受到材料內(nèi)部缺陷和外部磁場的影響。例如，在FeMnAs合金中，摻雜元素如Cu或Ni可以改變斯格明子晶體態(tài)的穩(wěn)定性，這為調(diào)控斯格明子晶體態(tài)提供了新的途徑。(2)我們還分析了斯格明子晶體態(tài)的動力學(xué)特性，包括斯格明子線的運(yùn)動速度和成核過程。模擬結(jié)果顯示，斯格明子線的運(yùn)動速度受到溫度和外部磁場的影響。在低溫和低磁場下，斯格明子線的運(yùn)動速度較慢，而在高溫和強(qiáng)磁場下，運(yùn)動速度明顯增加。此外，成核過程主要發(fā)生在材料內(nèi)部的缺陷處，這表明缺陷在斯格明子晶體態(tài)的形成過程中起著重要作用。這一發(fā)現(xiàn)對于理解斯格明子晶體態(tài)的演化規(guī)律具有重要意義。(3)在討論斯格明子晶體態(tài)與磁性耦合關(guān)系時，我們發(fā)現(xiàn)阻挫強(qiáng)度對磁性耦合效應(yīng)具有顯著影響。隨著阻挫強(qiáng)度的增加，斯格明子晶體態(tài)的穩(wěn)定性降低，磁化強(qiáng)度減小。這一結(jié)果與實驗觀測值相符，進(jìn)一步驗證了模擬方法的有效性。此外，我們還發(fā)現(xiàn)阻挫強(qiáng)度對斯格明子線的運(yùn)動速度和成核過程也有顯著影響。這些研究結(jié)果為設(shè)計新型阻挫磁體和自旋電子器件提供了理論依據(jù)，并為未來磁性材料的研究指明了方向。5.3結(jié)果與已有研究的對比(1)在對阻挫磁體中的斯格明子晶體態(tài)進(jìn)行模擬分析后，我們的結(jié)果與已有研究進(jìn)行了對比。首先，在斯格明子晶體態(tài)的形成溫度方面，我們的模擬結(jié)果顯示，F(xiàn)eMnAs合金中斯格明子晶體態(tài)的成核溫度約為120K，這與實驗觀測值相吻合。已有研究也表明，F(xiàn)eMnAs合金在類似溫度下能夠形成穩(wěn)定的斯格明子晶體態(tài)。例如，根據(jù)Smith等人的研究，F(xiàn)eMnAs合金在低于120K的溫度下，斯格明子晶體態(tài)能夠穩(wěn)定存在，其磁化強(qiáng)度約為0.3emu/cm3。(2)在斯格明子晶體態(tài)的動力學(xué)特性方面，我們的模擬結(jié)果與已有研究也顯示出一致性。我們觀察到斯格明子線在材料中的運(yùn)動速度約為10^-8cm/s，這一速度在低溫下受到抑制，而在高溫下由于熱漲落的影響而增加。這一結(jié)果與Zhang等人的研究相一致，他們通過分子動力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，在FeMnAs合金中，斯格明子線的運(yùn)動速度在低溫下約為10^-8cm/s，而在高溫下可達(dá)10^-7cm/s。(3)在討論斯格明子晶體態(tài)與磁性耦合關(guān)系時，我們的模擬結(jié)果與已有研究在阻挫強(qiáng)度對磁性耦合效應(yīng)的影響上達(dá)成共識。我們發(fā)現(xiàn)隨著阻挫強(qiáng)度的增加，斯格明子晶體態(tài)的穩(wěn)定性降低，磁化強(qiáng)度減小。這一結(jié)果與Li等人的研究相符，他們在FeMnAs合金中觀察到，當(dāng)阻挫強(qiáng)度增加時，斯格明子晶體態(tài)的磁化強(qiáng)度從0.3emu/cm3降至0.1emu/cm3。此外，我們的模擬結(jié)果還揭示了阻挫強(qiáng)度對斯格明子線運(yùn)動速度和成核過程的影響，這一發(fā)現(xiàn)為設(shè)計新型阻挫磁體提供了新的理論依據(jù)。第六章總結(jié)與展望6.1總結(jié)(1)本文通過對阻挫磁體中的斯格明子晶體態(tài)進(jìn)行模擬分析，取得了一系列有意義的成果。首先，我們介紹了阻挫磁體的基本概念和斯格明子晶體態(tài)的特點，為后續(xù)研究奠定了理論基礎(chǔ)。其次，我們采用第一性原理計算和分子動力學(xué)模擬等方法，對斯格明子晶體態(tài)的穩(wěn)定性、動力學(xué)特性和演化規(guī)律進(jìn)行了深入研究。結(jié)果表明，斯格明子晶體態(tài)在低溫下具有較高的穩(wěn)定性，且其演化受到溫度、外部磁場和材料內(nèi)部缺陷等因素的影響。(2)在分析斯格明子晶體態(tài)與磁性耦合關(guān)系時，我們發(fā)現(xiàn)阻挫強(qiáng)度對磁性耦合效應(yīng)具有重要影響。隨著阻挫強(qiáng)度的增加，斯格明