一种二维磁性材料中对DM作用的原子级计算方法技术

本发明专利技术所涉及的二维磁性材料中对DM作用的原子级计算方法，包括：在软件中对二维磁性材料的简立方晶体进行模拟取其单层简立方晶体原子进行计算，以单层简立方晶体的中心原子为坐标系原点建立空间向量坐标系，并且标记每一个原子的坐标。将距离所述中心原子最近的原子进行矢量处理，得出DM作用的哈密顿量，基于公式

An Atomic-Level Method for Calculating the Interaction of DM in Two-Dimensional Magnetic Materials

【技术实现步骤摘要】
一种二维磁性材料中对DM作用的原子级计算方法
本专利技术涉及一种磁性材料动力学过程模拟计算领域，具体涉及一种二维磁性材料中对DM作用的原子级计算方法。
技术介绍
自旋电子学是通过操纵电子自旋进行数据传输、处理和存储的新兴科学。在这一领域，对磁化强度的动力学过程的研究，可以直接反映出磁化强度的转动、翻转、以及分布情况，是数据读写及稳定性研究的重要内容。近年来，DM(Dzyaloshinskii-Moriya)相互作用被广泛研究，这一作用的主要效应是使得相邻磁化强度趋向于互相垂直排列，这一效应与海森堡交换作用共同影响，被认为是产生磁性斯基明子的起源。而磁性斯基明子因其重要的拓扑效应，是自旋电子学中新型的数据存储、处理与传输的方法，具有巨大的应用价值。所以理解和控制DM作用的效果对下一代自旋电子学逻辑与器件的发展有很大的帮助。传统的计算方法是微磁学模拟，即通过数值解朗道-利夫希兹-吉尔伯特方程(Landau-Lifshitz-Gilbert，LLG方程)，方程形式如下：为基本计算单位的磁化强度，α为吉尔伯特阻尼系数，t为时间，为有效场，γ为旋磁比，该方程描述了磁化强度在有效场的作用下进行进动的过程。其中，有效场包括海森堡直接交换作用有效场、磁各向异性有效场、外磁场、退磁场、也包括DM作用有效场。然而微磁学方法将若干个原子磁矩总和作为一个具有固定长度的磁化强度矢量来计算其进动过程，将DM有效场处理成有效场梯度，这一方法使得原子量级精细磁结构难以计算，使模拟计算的磁化强度方向与真实实验会产生较大偏差，进而使得计算精度降低，模拟计算与实际实验的拟合程度降低，模拟计算的仿真度降低，使得模拟计算的可信度下降，同时削弱了模拟计算对实验的指导作用。
技术实现思路
本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种二维磁性材料中对DM作用的原子级计算方法。本专利技术提供了一种二维磁性材料中对DM作用的原子级计算方法，具有这样的特征，包括：步骤1：在软件中模拟设定磁性材料的单层简立方晶体进行计算，以所述单层简立方晶体的中心原子为坐标系原点建立空间向量坐标系；步骤2：对所述单层简立方晶体的每个原子进行编号，并标记其坐标；步骤3：在所述单层简立方晶体中，将距离所述中心原子最近的四个原子，根据公式得出DM作用的哈密顿量H，为DM作用的参数，为原子的磁化强度记为为最近邻原子的磁化强度记为步骤4：基于所述哈密顿量H、以及公式得出DM作用有效场的大小及方向；步骤5：基于以及原子尺度的LLG方程得出原子的磁化强度大小与方向，λ为吉尔伯特阻尼系数，γ为旋磁比，t为时间；步骤6：对所述磁性材料中所有原子的磁化强度进行矢量求和，即可得出材料整体的磁化强度的方向。在本专利技术提供的二维磁性材料中对DM作用的原子级计算方法中，还可以具有这样的特征：其中，所述磁性材料为因原子占位无序而等同于单质的磁性合金晶体或者为单质磁性晶体。在本专利技术提供的二维磁性材料中对DM作用的原子级计算方法中，还可以具有这样的特征：其中，所述磁性材料具有铁磁性以及垂直磁各向异性。在本专利技术提供的二维磁性材料中对DM作用的原子级计算方法中，还可以具有这样的特征：其中，材料整体的磁化强度值设定为1。专利技术的作用与效果根据本专利技术所涉及的二维磁性材料中对DM作用的原子级计算方法，因为在软件中对二维磁性材料的简立方晶体进行模拟取其单层简立方晶体原子进行计算，以单层简立方晶体的中心原子为坐标系原点建立空间向量坐标系，并且标记每一个原子的坐标。将距离所述中心原子最近的原子进行矢量处理，得出DM作用的哈密顿量，基于公式得出基于得出对所述磁性材料中所有原子的磁化强度进行矢量求和，即可得出材料整体的磁化强度的方向。所以，本专利技术所提供的计算方法，将单个原子的磁化强度处理成具有固定长度的磁化强度矢量。通过直接计算单个原子的DM有效场，模拟其动力学过程，使得在原子量级精细磁结构中可以精确计算，使模拟计算的磁化强度方向与真实实验一致，有利于增加实验准确性、提高实验效率，使得计算精度大大提高，可对部分实验进行提前模拟计算实验，对实验方向进行指导。提升实验效率，节约实验材料成本及时间成本。附图说明图1是本专利技术的实施例中的原子与其最近邻原子的位置关系图；图2是本专利技术的实施例中在对材料施加外场，并且DM作用的参数为正数时，在DM作用下材料上形成的斯格明子示意图；以及图3是本专利技术的实施例中在对材料施加外场，并且DM作用的参数为负数时，在DM作用下材料上形成的斯格明子示意图。具体实施方式为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本专利技术的一种二维磁性材料中对DM作用的原子级计算方法作具体阐述。步骤1：在软件中模拟设定磁性材料长宽高为100nm×100nm×0.354nm的单层简立方晶体，磁性材料的晶格常数为0.354nm，外加场大小为2特斯拉。设定交换作用系数为4.0×10-21J/atomic、各向异性系数为6.75×10-24J/atomic、DM作用系数为5J/atomic、材料整体的磁化强度值设定为1以及吉尔伯特阻尼系数为1。步骤2：以单层简立方晶体的中心原子为坐标系原点建立空间向量坐标系。在本实施例中，磁性材料具有铁磁性以及垂直磁各向异性，并且为因原子占位无序而等同于单质的磁性合金晶体或者为单质磁性晶体例如Fe、Co、Ni、Pt晶体,在此选用Pt。步骤3：对每个原子进行编号记为Si，i为材料上每一个原子的序号。步骤3：当确定每个原子序号时，便可知道此原子的坐标，记为(Six,Siy,Siz)。图1是本专利技术的实施例中的原子与其最近邻原子的位置关系图。如图1所示，当中心原子位置确定时，便可确定此中心原子的最近邻原子。对于简立方晶体而言，每个中心原子都有四个最近邻原子，同理可确定每一个最近邻原子的坐标，记为(Sjx,Sjy,Sjz)。步骤4：在软件中对原子设置程序读出其各自的磁化强度，记为同时将最近邻原子的磁化强度记为步骤5：在所述单层简立方晶体中，将距离所述中心原子最近的四个原子，根据公式得出DM作用的哈密顿量H，为DM作用的参数，在本实施例中，对于中心原子，当最近邻原子位于中心原子的上方时，即Six＝Sjx且Siy＜Sjy时，DM作用参数为当最近邻原子位于中心原子的下方时，即Six＝Sjx且Siy＞Sjy时，DM作用参数为当最近邻原子位于中心原子的左方时，即Siy＝Sjy且Six＜Sjx时，DM作用参数为当最近邻原子位于中心原子的右方时，即Siy＝Sjy且Six＞Sjx时，DM作用参数为D为DM作用系数的大小。步骤6：对于任意一中心原子DM的有效场可视为四个最近邻原子间产生的等效场的矢量和，基于公式计算处理后为可得此等效场为四种不同情况的最近邻所产生的不同的与此最近原子的磁矩叉乘的积进行累加，得出DM作用的有效场的大小及方向。步骤7：基于原子尺度的LLG方程，将代入计算，得出即每个原子的磁化强度的大小与方向。步骤8：对所述磁性材料中所有原子的磁化强度进行矢量求和，即可得出材料整体的磁化强度的方向。步骤9：借助工具POV-RAY将某一时刻材料上的原子所处状态表示出来。(如图2、3所示)实施例的作用与效果根据本专利技术所涉及的二维磁性材料中对DM作用的原子级计算方法，因为在软件中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种计算单层磁性材料DM作用效应大小的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：在软件中模拟设定磁性材料的单层简立方晶体进行计算，以所述单层简立方晶体的中心原子为坐标系原点建立空间向量坐标系；步骤2：对所述单层简立方晶体的每个原子进行编号，并标记其坐标；步骤3：在所述单层简立方晶体中，将距离所述中心原子最近的四个原子，根据公式

【技术特征摘要】
1.一种计算单层磁性材料DM作用效应大小的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：在软件中模拟设定磁性材料的单层简立方晶体进行计算，以所述单层简立方晶体的中心原子为坐标系原点建立空间向量坐标系；步骤2：对所述单层简立方晶体的每个原子进行编号，并标记其坐标；步骤3：在所述单层简立方晶体中，将距离所述中心原子最近的四个原子，根据公式得出DM作用的哈密顿量H，为DM作用的参数，为原子的磁化强度记为为最近邻原子的磁化强度记为步骤4：基于所述哈密顿量H、以及公式得出DM作用有效场的大小及方向；步骤5：基于以及原子尺度的LLG方程得出原子的磁化强度大...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢晗，樊维佳，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31