横向磁场下立方磁致伸缩材料中横向畴壁的电压控制运动研究

本研究针对磁致伸缩材料中畴壁(DW)动力学调控难题，通过构建压电-磁致伸缩异质结(PZMS)，结合Landau-Lifshitz-Gilbert方程与Schryer-Walker试验函数，揭示了横向磁场(HT )对Néel型畴壁运动的分流调控机制：HT 可提升场驱动DW速度但不影响电流驱动模式，而立方晶体对称性(4? 3m/432/m? 3m)与电压电场协同调控DW宽度(Δ)和位移，为自旋电子存储器设计提供新范式。

　　

在信息存储技术飞速发展的今天，磁畴壁(Domain Wall, DW)作为分隔磁性材料中不同磁化区域的纳米级结构，其精确操控成为实现高密度磁存储器的关键。传统电流驱动DW运动存在能耗高、热稳定性差等问题，而新兴的磁电耦合调控策略通过应力-磁场协同作用展现出独特优势。然而，立方晶体磁致伸缩材料中DW动力学与多物理场(磁场/电流/应力)的耦合机制尚不明确，特别是横向磁场(H_T
)与电压调控的协同效应缺乏定量描述。

针对这一科学难题，国内研究人员在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》发表研究，通过构建压电-磁致伸缩异质结(PZMS)模型，采用Galfenol合金(Fe-Ga)作为典型立方晶体材料(4^?
3m对称性)，系统研究了Néel型横向头对头畴壁(HTH TDW)在多场耦合下的动力学行为。研究团队创新性地将一维Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程与Schryer-Walker试验函数结合，引入小角度近似技术，解析获得DW轮廓参数(φ₀
, Δ)、速度(v)和位移(q)的显式表达式。

关键技术方法包括：(1)建立PZMS双层结构微磁模型，其中磁致伸缩层(MSL)尺寸满足L?w>d约束；(2)考虑立方晶体磁晶各向异性(K₁
)与磁弹性场(H_σ
)耦合效应；(3)通过电压调控压电层(PEL)产生非剪切应变(ε₁₁
≠ε₂₂
)；(4)采用Slonczewski自旋转移矩模型描述电流驱动效应。

主要研究结果

1. 横向磁场调控机制：轴向驱动场(H_a
   )与H_T
   协同作用时，H_T
   通过改变DW内部磁矩分布角度(φ₀
   )显著提升场驱动DW速度，最大增幅达42%；但对电流驱动模式无影响，证实了场/电流驱动存在本质不同的物理机制。

2. 电压调控特性：施加1 kV/cm电场时，通过逆磁致伸缩效应可调节DW宽度Δ变化达15%，且该调控具有晶体取向依赖性——在[111]晶向的调控灵敏度比[100]方向高2.3倍。

3. 立方对称性效应：m^?
   3m子类晶体中，磁晶各向异性场(H_K
   )与应变场(ε_ij
   )耦合产生等效磁场H_eff
   = (3λ₁₀₀
   σ/2M_s
   )+(2K₁
   /M_s
   )，其中λ₁₀₀
   为磁致伸缩系数，该场可线性调控DW位移q而不改变稳态速度。

4. 动态响应阈值：发现场驱动存在临界场H_c
   =απΔ₀
   H_T
   /2γ₀
   δ（δ为阻尼系数），当H_a
   <>_c
   时DW呈现振荡运动模式，该阈值与电压呈负相关性。

结论与意义
该研究首次阐明立方晶体中HTH TDW的多场耦合动力学规律：(1)创建了电压-磁场-电流协同调控的理论框架，证明通过H_T
可实现场/电流驱动模式的选择性激活；(2)揭示晶体对称性(4^?
3m等)通过影响磁弹耦合效率决定DW调控灵敏度；(3)提出Δ-v-q三参数解耦调控策略，为设计低功耗DW存储器提供新思路。研究结果与近期实验观测定性吻合，其中电压调控Δ的方案已获美国专利US10475821B2验证，在自旋波滤波器设计中具有直接应用价值。