具有磁補償溫度的雙子晶格亞鐵磁體的磁共振頻率

核心概念

本研究推導出具有單軸各向異性的雙子晶格亞鐵磁體在所有溫度範圍內，包括面內和面外磁化方向的磁共振頻率解析解，並通過實驗驗證了解析解的準確性。

摘要

文獻資訊

Mikuni, K., Hiraoka, T., Kuramoto, T., Fujii, Y., Koreeda, A., Parchenko, S., Stupakiewicz, A., & Satoh, T. (2024). Magnetic resonance frequency of two-sublattice ferrimagnet with magnetic compensation temperature. arXiv preprint arXiv:2411.14792v1.

研究目標

本研究旨在推導出適用於所有溫度範圍（包括補償溫度）的共振頻率的實用解，並探討亞鐵磁體在補償溫度附近的磁化動力學。

方法

• 基於Landau–Lifshitz–Gilbert (LLG) 方程式建立了一個雙子晶格亞鐵磁體模型。
• 該模型的自由能密度包含了塞曼能、退磁場能、交換交互作用、單軸磁各向異性能和交換剛度。
• 推導出面內和面外兩種情況下線性近似下的解析解。
• 使用磁光泵浦探測技術和布里淵光散射測量技術，實驗驗證了解析解的準確性。

主要發現

• 推導出的解析解成功地描述了在整個溫度範圍內，包括補償溫度附近，面內和面外兩種情況下的實驗結果。
• 交換剛度對於解釋布里淵光散射測量中低頻模式的增加至關重要。
• 在遠離補償溫度的溫度下，通過假設交換交互作用的貢獻占主導地位，可以使解析解與傳統的鐵磁共振和交換共振模式相一致。

主要結論

• 本研究提出的模型和解析解為分析具有補償溫度的亞鐵磁體的磁化動力學提供了一個實用的框架。
• 該模型預計也適用於其他亞鐵磁體，以及通過數值計算得到的 M ∦H 組態。

研究意義

本研究增進了對亞鐵磁體在補償溫度附近的磁化動力學的理解，並為開發基於亞鐵磁體的自旋電子學器件提供了理論依據。

局限性和未來研究方向

• 未來研究可以探討每個子晶格的參數可能不同的情況。
• 可以進一步研究 M ∦H 組態下的磁化動力學。

統計資料

GdYb-BIG 的居里溫度 Tc = 573 K，磁補償溫度 TM = 96 K。
Gd-BIG 的居里溫度 Tc = 532 K，磁補償溫度 TM = 221 K。
兩種樣品的交換剛度常數 A 均為 5 erg/cm。
GdYb-BIG 的分子場係數 λ 為 1550 G/(emu/cm3)。
Gd-BIG 的分子場係數 λ 為 1700 G/(emu/cm3)。

引述

從以下內容提煉的關鍵洞見

Magnetic resonance frequency of two-sublattice ferrimagnet with magnetic compensation temperature

by Kouki Mikuni... 於 arxiv.org 11-25-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.14792.pdf

深入探究

該模型如何應用於具有多於兩個子晶格的更複雜的亞鐵磁體系統？

雖然本研究提出的模型專注於具有兩個磁性子晶格的亞鐵磁體，但其概念架構可以擴展應用於更複雜的多子晶格系統。以下列出一些可能的擴展方向：

增加自由能密度中的項數: 對於具有 N 個子晶格的系統，需要引入 N 個磁化向量 (Mi, i = 1, 2, ..., N) 來描述每個子晶格的磁矩。自由能密度需要包含所有子晶格的塞曼能、退磁場能、交換作用能、磁晶各向異性能以及交換剛度能，並考慮它們之間的相互作用。
建立耦合的LLG方程式: 每個子晶格的磁化動力學仍然可以使用LLG方程式描述，但需要建立 N 個耦合的LLG方程式組，以考慮所有子晶格之間的相互作用。
求解線性化的LLG方程式: 類似於雙子晶格模型，可以對線性化的LLG方程式組進行求解，得到系統的磁共振頻率。然而，隨著子晶格數量的增加，解析解的複雜度將顯著提高，可能需要藉助數值方法進行求解。

需要注意的是，對於多子晶格系統，其磁性結構和動力學行為可能更加複雜，需要更精確的模型和更深入的分析。

如果考慮溫度對交換交互作用強度的影響，解析解會如何變化？

在目前的模型中，我們假設分子場係數 λ 和交換剛度常數 A 不隨溫度變化。然而，實際上，交換交互作用強度會受到溫度的影響。考慮溫度對交換交互作用強度的影響，解析解將會變得更加複雜：

分子場係數的溫度依賴性: 分子場係數 λ 代表著子晶格間的交換交互作用強度。一般來說，隨著溫度的升高，λ 會減小。可以引入一個溫度相關的函數 λ(T) 來描述這種變化，例如，可以使用 Curie-Weiss 定律或更精確的模型來描述 λ(T)。
交換剛度常數的溫度依賴性: 交換剛度常數 A 也會受到溫度的影響。通常情況下，A 會隨著溫度的升高而減小。可以引入一個溫度相關的函數 A(T) 來描述這種變化。

引入 λ(T) 和 A(T) 後，LLG 方程式將變成非線性微分方程式，難以得到解析解。需要使用數值方法，例如微磁學模擬，來求解這些方程式並分析磁化動力學。
考慮溫度對交換交互作用強度的影響可以更精確地描述亞鐵磁體的磁共振行為，特別是在接近補償溫度時。

亞鐵磁體在補償溫度附近的獨特磁化動力學特性如何應用於新型自旋電子學器件？

亞鐵磁體在補償溫度 (TM) 附近展現出獨特的磁化動力學特性，例如：

低阻尼: 由於淨磁矩接近於零，磁疇壁移動的阻力減小，因此在 TM 附近可以實現高速磁疇壁運動。
高共振頻率: 在 TM 附近，亞鐵磁共振頻率可以達到太赫茲 (THz) 範圍，遠高於傳統的鐵磁共振頻率。
多種磁序相變: 在 TM 附近，亞鐵磁體可能表現出多種磁序相變，例如，從共線相變為非共線相，這為操控磁化狀態提供了更多可能性。
這些獨特的特性為開發新型自旋電子學器件提供了新的思路，例如：

高速磁疇壁存储器: 利用 TM 附近的低阻尼特性，可以開發出高速、低功耗的磁疇壁存储器。
太赫茲自旋電子學器件: 利用 TM 附近的太赫茲共振頻率，可以開發出超高速的自旋電子學器件，例如，太赫茲振盪器、發射器和探測器。
多功能自旋電子學器件: 利用 TM 附近的磁序相變，可以開發出多功能的自旋電子學器件，例如，可以通過電場或光場來控制磁化狀態，實現多態存储和邏輯運算。

總之，亞鐵磁體在補償溫度附近的獨特磁化動力學特性為自旋電子學的發展提供了新的机遇，有望推動新一代高速、低功耗、多功能自旋電子學器件的發展。