磁性纳米粒子线性链中几何参数对离散呼吸子生成条件及特性的调控机制研究

本研究针对一维椭圆磁性纳米粒子链中非线性磁化动力学问题，通过数值求解Landau-Lifshitz方程，首次揭示了偶极-偶极相互作用下离散呼吸子(DBs)的形成机制。研究发现当粒子呈准盘状(短轴垂直链方向)时，DBs核心区存在硬轴进动而尾部呈现平衡态振荡，其频率表达式与模拟结果高度吻合，为磁性存储器件的非线性调控提供了新思路。

　　

在磁性材料研究领域，周期性排列的磁性纳米粒子阵列因其在磁存储器和自旋电子学中的应用潜力而备受关注。传统研究多聚焦于线性磁波现象，而对非线性动力学行为特别是离散呼吸子(Discrete Breathers, DBs)的认识仍存在重大空白。DBs作为时空局域的周期性激发态，其存在需要满足两个关键条件：系统必须同时具备离散性和非线性特性，且振动频率需脱离线性自旋波谱范围。然而在Heisenberg自旋链中，由于交换相互作用通常远强于单离子各向异性，DBs的激发面临重大挑战。

为解决这一难题，俄罗斯科学院的研究团队创新性地采用偶极-偶极相互作用(r
^-3
衰减)的磁性纳米粒子链体系，在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》发表重要成果。该研究通过精确控制粒子几何形状和间距，成功规避了传统自旋链中交换作用主导的困境，首次在考虑退磁场效应的真实纳米粒子系统中证实了DBs的存在。

研究采用三大关键技术：1)基于SciPy库的RK45算法求解Landau-Lifshitz方程；2)小波分析追踪非平稳信号时频特征；3)线性自旋波理论解析频率谱。通过构建50纳米粒子链模型(a
=b
=50nm, c
=10nm, r
₀
=150nm)，设置中心粒子初始偏离(m

_n

=(√(1-m<sub>z

0</sub>
²
),0,m<sub>z

0</sub>
))，成功捕捉到DBs的典型特征——核心区磁化矢量绕硬轴进动，尾部呈现指数衰减振荡。

【Main equations】部分建立了椭圆粒子链的动力学模型，推导出无量纲化Landau-Lifshitz方程。当粒子尺寸满足单畴条件时，磁化矢量M_n

的运动仅由偶极相互作用和形状各向异性决定，其动力学方程包含退磁张量N
^αβ
的贡献。

【Linear analysis】揭示关键机制：当短轴c
远小于其他轴时(准盘状结构)，系统产生显著的非线性频率漂移，使DBs频率脱离线性谱。解析计算表明，x轴磁化时振荡频率ω_x
∝√(N
_z
-N
_y
)，而z轴磁化时ω_z
∝√(N
_x
-N
_y
)，这种各向异性差异是DBs存在的物理基础。

【Numerical simulation results】通过10,000步长模拟显示，当初始偏离m<sub>z

0</sub>

0.3时，系统从平面波逐渐演化为稳定的DBs态。频谱分析发现DBs频率(约0.12ω₀
)明显低于线性谱下限(0.15ω₀
)，符合理论预期。

【Dependence on geometry】章节系统考察了几何参数影响：固定a
=50nm、c
=10nm，变化b
(30-70nm)发现，仅当b

45nm时DBs能稳定存在。小波分析证实b
=50nm时信号时频特性最稳定，此时退磁因子N
_y
≈0.2产生最优各向异性比。

结论部分指出，该研究首次在真实纳米粒子系统中完整揭示了DBs的激发条件：1)粒子必须呈显著各向异性(准盘状)；2)初始扰动需超过临界振幅；3)频率必须位于线性谱带隙。Dmitry A. Kuzmin等提出的几何参数调控策略，为开发基于非线性磁激发的新型存储器件提供了理论依据，特别是通过设计粒子形状和间距可实现DBs的定向激发与调控，这在磁逻辑器件和神经形态计算领域具有重要应用前景。