CN104767020B - 一种自旋波定向传输波导结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于磁性材料信号传输技术领域，具体为一种自旋波定向传输波导结构。本发明的波导结构是在具有DMI效应的铁磁绝缘材料的二维薄膜上构造的磁结构；该磁结构由若干块指向自旋波传输方向的磁畴和在磁畴之间形成的特定结构的磁畴壁构成；相邻磁畴之间磁化方向相反；其中，通过全反射方式来传输自旋波，通过外加电场改变自旋波发生全反射所需的入射角度范围的方式来改变自旋波传输方向；该结构的功能类似于公知的光波导纤维，主要区别是该结构以磁性绝缘材料为媒介，自旋波为能量和信息的载体。该自旋波定向传输波导结构可根据要求单向或双向传输自旋波，传输效率高，衰减小，易于集成与扩展，易于与现有电子芯片技术相结合。

Description

一种自旋波定向传输波导结构

技术领域

本发明属于磁性材料信号传输技术领域，具体涉及一种磁性绝缘材料中自旋波的定向传输波导结构，用于在磁性绝缘材料中长程单向传输自旋波。

背景技术

自旋波是指在磁性材料中磁性的激发态，它广泛存在于所有磁性材料中。在磁性绝缘材料中，由于没有导电电子，自旋波成为一种新型的传输信息的载体。它易激发，易检测，信息存贮密度大，功耗小，易耦合，与现有工业技术整合性好，是继现代以电子，光为信息载体的下一代信息技术的理想信息载体。

磁性材料中信号的传输是基于磁性材料的信息处理系统的关键部分，是连接信号发射端和检测端的中枢，在基于磁性材料的器件和系统研制中具有极为重要的应用。在磁性材料构成的器件和系统中，自旋波的发射端和检测端是分离的，器件的工作效率直接决定于自旋波在磁性绝缘材料中传输的效率。在发射端激发的自旋波，除去满足工作要求的自旋波，同时有许多额外的不需要的，不利于器件正常工作的自旋波成分，这些成分必须在传输过程中去除。发射端和检测端通常位于固定的位置，为了有效地发射和检测，自旋波在传输过程中必须进行有效的导向。这些自旋波传输过程中的高效性，选择性，定向性对于磁性材料中的传输结构的设计提出了很高的要求，现有的自旋波的传输结构难以满足这一要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种效率高的自旋波定向传输波导结构，用于在磁性材料中长程定向传输自旋波。

本发明所提供的自旋波定向传输波导结构，是在具有DMI(Dzyaloshinskii-Moriya Interaction, Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用)效应的铁磁绝缘材料的二维薄膜上构造的磁结构；该磁结构由若干块指向自旋波传输方向的磁畴和在磁畴之间形成的特定结构的磁畴壁构成；相邻磁畴之间磁化方向相反；其中，通过全反射方式来传输自旋波，通过外加电场改变自旋波发生全反射所需的入射角度范围的方式来改变自旋波传输方向。

本发明中，所述通过全反射方式来传输自旋波，是指利用波导结构中存在的全反射现象传输自旋波；所述全反射现象是指：在某个磁畴里以一定能量传输的自旋波以某个范围内的角度入射到磁畴壁时，由于该自旋波在该磁畴壁另一边的磁畴中所要求的自旋波能量高于该入射自旋波的能量，入射的自旋波无法穿越磁畴壁，只能被全部反射回来的现象。

本发明中，所述改变自旋波传输方向是指：通过外加电场改变磁性材料中DMI的相关参数符号，改变自旋波发生全反射所需的入射角度范围，进而改变自旋波传输方向。

本发明中，所述若干块磁畴，一般是3块，或者是4块，等等；当磁畴为4块时，构成双通道-单向自旋波传输波导结构。

本发明中，当DMI效应为体DMI效应（Bulk DMI）时，磁畴壁的种类为布洛赫壁（Bloch Wall）；当DMI效应为界面DMI效应时（Interfacial DMI）,磁畴壁的种类为奈尔壁（Neel Wall）。

相对于传统的自旋波传输结构，本发明的自旋波传输波导结构充分利用了磁性材料中的DMI效应。利用DMI的非对称特性，构造了所述磁结构中自旋波的全反射行为，并利用该全反射行为实现了自旋波的单向传输。该自旋波的全反射行为类比于光在光纤中的全反射行为，而该自旋波波导结构是光纤结构在磁性材料和磁性体系里的拓展。同时，利用该结构中全反射行为的方向选择性，本自旋波导结构实现了自旋波的单向传输特性。该单向选择性赋予了本发明中所述自旋波波导结构比光纤结构更优秀和丰富的传输特性。

与现有的技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

（1）与传统的自旋波传输结构不同，本发明中的自旋波波导结构具有自旋波传输的单向选择特性。

（2）本发明中传输自旋波的方式是全反射方式，对于不符合全反射要求的自旋波全部滤除，对于符合全反射要求的自旋波可做到完美传输，在筛选自旋波的同时，为自旋波的长程传输提供了保证。

（3）本发明基于磁性材料的二维结构，而非普通自旋波传输结构中的一维结构，有效的拓展了自旋波在更多维度上的可能性。

（4）本发明基于同一磁性材料上的磁畴形成的磁畴壁结构，而非不同磁性材料之间形成的磁性异质结结构，有利于自旋波器件的构造。

（5）本发明中自旋波的传输方向可以通过外加电场的方式改变，而无需改变具体的磁结构，具有操作方便，并易于与现有电子工业技术结合的优点。

本发明结构的功能类似于公知的光波导纤维，主要区别是该结构以磁性绝缘材料为媒介，自旋波为能量和信息的载体。该自旋波定向传输波导结构可根据要求单向或双向传输自旋波，传输效率高，衰减小，易于集成与扩展，易于与现有电子芯片技术相结合。

本发明中的单向自旋波传输波导结构易于扩展为双通道以至于多通道式波导结构，各相邻通道自旋波传输方向不同然而信息互不干扰，充分保证了信息传输的私密性和高效性。

附图说明

图1 是本发明的自旋波的单向传输波导的一种结构。

图2 是本发明的自旋波的单向传输波导的另一种结构。

图3 是本发明中在指定其中一种磁畴壁左右两边磁畴内磁方向时磁畴壁内部的磁方向分布示意图。

图4 是本发明的在指定其中另一种磁畴壁左右两边磁畴内磁方向时磁畴壁内部的磁方向分布示意图。

图5是本发明中一个典型的自旋波在入射到磁畴壁时的全反射现象的仿真图。

图6 是本发明中在一个典型频率下自旋波在磁畴壁处发生全反射现象的原理图。

图7 是本发明中在另一个典型频率下自旋波在磁畴壁处发生全反射现象的原理图。

图8 是本发明中全发射现象特征角随着自旋波频率变化的仿真计算图。

图9 是本发明中全反射现象特征角随着DMI特征参数变化的仿真计算图。

图10 是本发明中自旋波的单向传输波导结构的推广情况下的一个典型的双通道单向自旋波波导的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

本发明中的一种自旋波的单向传输波导结构，由具有DMI效应的磁性材料的二维薄膜构成。如图1,2所示，该波导结构包括三个相邻的磁畴区域，其中中间磁畴的磁指向，与左右两边的磁畴的磁指向正好相反，因此中间磁畴与左右两边的磁畴各形成一个磁畴壁。三个磁畴中的磁指向与两个磁畴壁形成的方向保持平行。左右两边磁畴壁内部的磁指向的分布分别如图3，图4所示。

在DMI效应下，在中间磁畴内传输的自旋波在以图下方黑色扇形内的入射方向入射到左边或右边磁畴壁结构上时，会发生全反射现象而被完美反射。由于左右磁畴和磁畴壁结构的对称性，这些被左边（右边）磁畴壁反射的自旋波会再次以一个对称的入射角度入射到右边（左边）的磁畴壁上，再次由于发生全反射现象而被完美反射。这些以特定角度范围入射范围内入射的自旋波在中间磁畴中传输的过程中，将不断受到左边和右边磁畴壁的全反射而不断向前传播。由于自旋波在全反射过程是完美反射，不损失任何能量，因此这些自旋波将无衰减的沿着左右磁畴壁规定的方向传输。这部分自旋波的传输以实线折线的形式表示。

与此对比，当自旋波沿着黑色扇形以外的入射角度入射到磁畴壁上时，发生的反射不是全反射，因此将损失部分能量。当被左边（右边）磁畴壁反射的自旋波再次反射到右边（左边）的磁畴壁上时，由于入射角度左右对称，自旋波的反射同样不是全反射，因此会再次衰减。这些角度入射的自旋波在传输过程中不断衰减，并最终消失。这部分自旋波的传输以虚线的形式表示。

对比这两部分自旋波的传输过程，可以看出只有黑色扇形区域内的自旋波会最终被波导传输，并保持其初始能量和幅度。本发明中的自旋波波导结构与光纤结构具有很好的类比性。进一步的，在本自旋波波导结构中，自旋波的完美传输只发生在沿着磁畴壁的其中一个方向，表现出良好的单向选择性，和光纤结构中光可沿着光纤壁的两个方向传输不同。

在带有DMI效应的的磁性材料中，磁的动力学方程由LLG(Landau-Lishitz-Gilbert)方程描述：

（1）

其中m是归一化的磁化量，是Glibert常数，是归一化的磁旋常数，其中是磁旋常数，是真空中的磁介质常数，是饱和磁化量。而磁化量m引起的有效磁场可由：

(2)

来描述，其中A是磁交换常数，K是磁易轴的磁各向异性能，是磁易面的磁各向异性能，D是DMI常数。▽是那伯拉（nabla）算子，▽²是拉普拉斯算子，某量带下标x,y,z的，分别代表该量在空间三维坐标系（x,y,z）下的三个分量，e为单位矢量；同理，下文中，带下标r,θ,φ的量则代表在球坐标系(r,θ,φ)下,该量在三个方向上的分量，ω为角频率，k为波矢。对上述LLG方程的求解，以及进一步的数值仿真证明，如图2,3所示的磁畴和磁畴壁的磁分布是稳定的。

自旋波是静态磁化量的激发形式，

(3)

在该如图3，4所述的磁畴壁结构中，自旋波满足下列动力学方程：

（4）

特别的，在磁畴壁两边的均匀磁畴中，自旋波满足下列色散关系：

（5）

图5显示的是在典型的磁性材料的参数A=1， K=1, D=0.2154， 以及自旋波的频率f=1.7731下，通过式（4）求得的自旋波在图1中入射到左右磁畴壁上的传输系数随着入射角度的变化图。其中左半圆显示的是自旋波从图1中间磁畴，穿过左边的磁畴壁向左边磁畴传输情况下自旋波透射的行为。其中右半圆显示的是自旋波从图1中间磁畴，穿过右边的磁畴壁向右边磁畴传输情况下自旋波透射的行为。在如图5所示上边的红色区域，在该入射角度内，自旋波的透射被完全禁止，即出现了自旋波在左右磁畴壁的全反射行为。在图5下边区域，并没有出现与图5上边的红色区域相对应的全反射区域。

进一步的，图6，图7显示了图5中展示的自旋波全反射行为所对应的原理图，其中左边的圆和右边的圆分别对应图4中左边和中间磁畴中自旋波在y和z方向的波矢ky和kz为函数的等能线。左边的等能线对应式(5)中正号的情况，在DMI的影响下，其等能线所代表的圆的圆心由原点向-kz方向下移D/2A，而半径由扩大为。右边的等能线对应式(5)中负号的情况，在DMI的影响下，其等能线所代表的圆的圆心由原点向+kz方向上移D/2A，而半径同样由扩大为。

由于本发明中的结构在z方向上的平移对称性，kz在传输过程中是守恒的。只有当出射方存在kz相等，能量相等，移动方向一致的自旋波时，自旋波才有可能从入射方磁畴透射到出射方磁畴，否则将发生全反射。图5考虑的是 的情况下的自旋波从图1所示左边磁畴和中间磁畴之间反射和透射示意图，而图6考虑的是情况下对应图6的示意图。

由于DMI造成的左方圆心沿着kz轴下移及右方沿着kz轴圆心上移， 当自旋波以图6右边圆内上方黑色区域所显示的入射角度范围内从图1中间的磁畴入射到左边的磁畴壁上时，在左边的磁畴内部，没有可用的自旋波可与入射的自旋波相匹配，必然发生全反射。而在右边圆下方，由于DMI造成的圆心平移的非对称性，当自旋波从右边圆向下入射到左边圆，对应图1中自旋波从中间磁畴向下入射到左边磁畴壁的情况，在左边磁畴中总是有可用的自旋波可以与入射的自旋波态相匹配，因此右边圆下方不存在与右边圆上方黑色区域对应的全反射区域。

在图7中，由于自旋波能量（频率）的减小，所对应的等能线圆不再与kz=0线相交。在该情况下，所有在中间磁畴中激发的所有可能的自旋波都朝上传播。并且图7，所有朝着左边传播的自旋波，如右边圆中的黑色半圆所示，在左边磁畴中都没有与之匹配的自旋波，所以入射到图1左边磁畴壁上全部自旋波都会发生全反射。

图6,7中显示的是图1中中间磁畴中激发的自旋波在左边磁畴壁上的发生全反射的情况。自旋波在图1中所示右边磁畴壁间的反射和透射情况与图6,7中所示情况是左右对称的。结合图6，7中左边磁畴壁全反射的情况和其对称的在右边磁畴壁全反射的情况，便得到图1中下方黑色扇形区域的全反射区域，即本发明中自旋波单向波导的所工作的入射角度的区间。

进一步的，本单向自旋波传输波导的工作表现如图8，9所示。该自旋波波导的全反射的区域大小可由全反射临界角来衡量。图7显示的是在典型的磁性材料参数A=1， K=1,D=0.2154，全反射临界角随着自旋波的频率 ω变化的仿真图。全反射临界角随着自旋波频率的增加而不断减小。当时，全反射临界角为90度，这与图7中所有自旋波均为全反射的图像相吻合。当时，全反射临界角逐渐减小到约30度。 从图5中可以看出，随着自旋波频率（能量）增大，左右等能圆的半径增大，DMI引起的圆心沿kz方向的移动所能造成全反射临界角也逐渐减小。图8所示的图像与图6中的该图像相吻合。

图8显示的是在典型的磁性材料参数A=1， K=1， 以及自旋波的频率f=1.7731下，全反射临界角以D为函数的变化图。当D增加时，单调增加。这与图6中，随着D增加，圆心沿着kz方向移动，全反射临界角增加的图像是吻合的。

由图8,9的仿真结果，为增大本发明中自旋波单向波导的工作区间，应尽量减小自旋波的激发频率，并在保持波导结构稳定的情况下，增大D参数的值。相反，为了尽可能保持自旋波的一致性，可以适当减小自旋波的激发频率，或减小D参数的值。

在图1，图2所示的自旋波单向波导的基础上，可以扩展为图10所示的双通道单向自旋波波导。图10由四个磁指向相反的磁畴间隔排列，以及相邻磁畴间形成的三个磁畴壁组成。右边的三个磁畴以及其间形成的两个磁畴壁构成如图1所示的单通道自旋波单向波导。而左边的三个磁畴以及其间形成的两个磁畴壁是图2所示的单通道自旋波单向波导的对称性形式。通过将图1，图2所示的单通道自旋波单向波导集成到如图9中所示结构，可以共用中间两个磁畴，提高磁性材料的利用效率。

由于中间两个磁畴构成的自旋波单向传输通道的传输方向相反，所以虽然自旋波在该每个单通道波导中是单向传输的，其在整个体系内的传输是双向的。同时，如图10所示，在其中一个单向自旋波导中能够被透射，也即能穿过磁畴壁的自旋波必然位于图10下方红线和蓝线之间的区域，所以必然能够穿过其他所有磁畴壁，而该自旋波的幅度最终在波导结构中会衰减至无限小而消失。如图10中红色虚线和蓝色虚线所示。这意味着本发明中的图10所示的双通道自旋波单向传输波导中的两个波导结构中的自旋波互不干扰，其中传递的信息具有私密性。

类比图10所示的双通道自旋波单向传输波导结构从图1,2所示的单通道自旋波单向传输波导结构的构造方式，可以构造出具有更多的通道的自旋波单向传输结构。

通过在本发明中的磁性材料上施加电场，可以调节DMI的D参数的大小和符号，从而调节式（5）所表达的色散关系中由DMI引起的偏移，进而调节全反射发生的入射角范围，最终调节图1中所示的自旋波单向波导中自旋波传输的允许角度范围及传输方向。

Claims (2)

1.一种自旋波定向传输波导结构，其特征在于，在具有DMI效应的铁磁绝缘材料的二维薄膜上构造的磁结构；该磁结构由若干块指向自旋波传输方向且相互平行的的磁畴和在相邻磁畴之间形成的特定结构的磁畴壁构成；相邻磁畴的磁化方向相反；其中，通过全反射方式来传输自旋波，通过外加电场改变自旋波发生全反射所需的入射角度范围的方式来改变自旋波传输方向；

其中，所述通过全反射方式来传输自旋波，是指利用波导结构中存在的全反射现象传输自旋波；所述全反射现象是指：在某个磁畴里以一定能量传输的自旋波以某个范围内的角度入射到磁畴壁时，由于该自旋波在该磁畴壁另一边的磁畴中所要求的自旋波能量高于该入射自旋波的能量，入射的自旋波无法穿越磁畴壁，只能被全部反射的现象；

所述改变自旋波传输方向是指：通过外加电场改变磁性材料中DMI的相关参数符号，改变自旋波发生全反射所需的入射角度范围，进而改变自旋波传输方向；

所述特定结构是指：当DMI效应为体DMI效应时，磁畴壁的种类为布洛赫壁；当DMI效应为界面DMI效应时，磁畴壁的种类为奈尔壁。

2.根据权利要求1所述的自旋波定向传输波导结构，其特征在于所述磁畴块数为3块，或4块；当磁畴为4块时，构成双通道-单向自旋波传输波导结构。