惯性与非线性能耗效应对双层复合结构中应变诱导磁畴壁运动的协同调控机制

本研究通过建立惯性Landau–Lifshitz–Gilbert（iLLG）方程框架，系统分析了压电-磁致伸缩双层复合结构中惯性阻尼、非线性黏滞/干摩擦耗散与磁弹耦合的协同作用，揭示了应变调控下磁畴壁（DW）稳态/进动动态的阈值（TH）、Walker breakdown（WB）极限及迁移率等关键参数的调制规律，为超快磁存储器件设计提供理论支撑。

　　

在追求下一代低能耗、超快磁存储技术的浪潮中，压电-磁致伸缩（PE-MS）双层复合材料因其独特的机械-磁能转换特性成为研究热点。这类材料通过压电层施加电压产生应变，进而驱动磁致伸缩层中磁畴壁（Domain Wall, DW）运动，实现非易失性信息存储。然而，现有研究对复合结构中惯性效应（inertial effects）与非线性耗散（nonlinear damping）的协同作用机制尚未阐明，特别是当DW运动进入皮秒级超快动态时，传统Landau–Lifshitz–Gilbert（LLG）方程难以准确描述其动力学行为。

针对这一挑战，印度理工学院安德拉分校（National Institute of Technology Andhra Pradesh）的研究团队在《International Journal of Engineering Science》发表论文，首次将惯性Landau–Lifshitz–Gilbert（iLLG）方程与非线性黏滞/干摩擦阻尼模型结合，系统分析了CoPtCr（金属铁磁体）和GaMnAs（半导体铁磁体）双层结构中应变诱导DW的动态特征。研究采用经典行波解析法，量化了磁致伸缩（magnetostriction）、磁弹性场（magnetoelastic field）、惯性阻尼系数（β）及非线性耗散参数（α_v, α_d）对DW宽度、迁移率、TH/WB极限的影响规律。

关键技术方法包括：1）建立包含惯性项（β?²m/?t²）和双阻尼项（α_v|?m/?t|?m/?t + α_dsgn(?m/?t)）的iLLG方程；2）通过行波变换将偏微分方程降维求解；3）针对金属（CoPtCr）和半导体（GaMnAs）铁磁体进行参数化数值模拟。

主要研究结果

1. 微磁模型构建
   通过假设磁致伸缩层为各向同性线性弹性体，推导出应变ε_xx通过磁弹耦合系数B₁影响有效场H_me的表达式。数值模拟显示，ε_xx>0时，DW宽度Δ随B₁增大而压缩，而ε_xx<0导致Δ展宽。

2. 非线性耗散与惯性效应协同
   在稳态区（H<>_WB），干摩擦系数α_d主导DW启动力阈值H_TH，而黏滞系数α_v决定速度饱和特性。惯性项β>10^-3 ps²时，DW迁移率μ下降40%，但WB极限提升2倍，显著扩展稳态运动区间。

3. 材料差异对比
   金属FM（CoPtCr）因高磁致伸缩系数（λ_s=200 ppm）对应变响应更敏感，而半导体FM（GaMnAs）的弱自旋-轨道耦合使其惯性效应（β≈0.1 ps²）更显著。

结论与意义
该研究首次揭示惯性-非线性阻尼协同作用可突破传统LLG方程的预测极限：1）惯性效应通过延缓磁矩进动抑制WB失稳，使H_WB提升至1.5倍；2）干摩擦耗散（α_d）主导低场区DW钉扎，而黏滞耗散（α_v）调控高场区运动非线性；3）应变-惯性协同可将DW速度提升至600 m/s（金属FM）和400 m/s（半导体FM）。这些发现为设计超快应变调控磁存储器提供关键理论依据，特别是通过优化PE层压电系数（d₃₁）与MS层惯性参数（β）的匹配，有望实现亚纳秒级DW运动控制。