CN104779274A - 一种具有单向导通特性的自旋波二极管 - Google Patents

Abstract

本发明属于磁性器件技术领域，具体为一种具有单向导通特性的自旋波二极管。该自旋波二极管结构包括两部分：一是具有DMI效应的铁磁绝缘材料，该材料拥有两块相反磁取向的磁畴以及在磁畴之间形成的磁畴壁；二是连接到磁畴壁的两个自旋波波导，分别用于导入和导出自旋波，两个自旋波波导的相对位置关系依赖于磁畴壁内束缚态自旋波的运动方向和空间分布。该结构通过自旋波在磁畴壁内传播过程中的空间分离特性来实现自旋波的单向导通。本发明结构简单，自旋波传输单向，传输效率高，功耗小，易构造，易集成，易与现有电子芯片技术结合，可用于有效的控制自旋波的传播导向并由此进行进一步的逻辑计算。

Description

一种具有单向导通特性的自旋波二极管

技术领域

本发明属于磁性器件技术领域，具体涉及一种自旋波二极管器件。

背景技术

自旋是继现代以电子，光为信息载体的下一代信息技术的理想信息载体。自旋波是磁性绝缘材料中磁的激发态，可有效的携带自旋信息。不同于磁性导体材料中携带自旋信息的导电电子，自旋波的传输基于铁磁绝缘材料，不需要借助于电子在原子间的移动，因此能更加有效的减小传输过程中的损耗。同时自旋波易激发，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。

构建处理自旋信息的基础部件如自旋二极管，自旋三极管是构建更为复杂的自旋信息功能器件和自旋信息功能系统的关键。自旋二极管作为一种具有最简单结构的处理自旋信息的基础部件，可控制自旋波的传输方向，也同时是构建自旋三极管等器件的基础。作为自旋信息处理系统中的基础器件，在系统中会大量重复存在，因此自旋二极管应满足功耗小，尺寸小，工作范围宽，易于制作的条件。现有的自旋波二极管结构中，有些基于铁磁导体材料中的导电电子，因此不可避免的的具有功耗大的缺点；有些依赖于特定的工作参数，对于正常工作的要求条件高，难于制作和实际使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对自旋波具有单向导通特性的自旋波二极管器件。

本发明提供的自旋波二极管器件，是在具有DMI(Dzyaloshinskii-Moriya Interaction,  Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用)效应的铁磁绝缘材料上构造的磁结构,其中利用磁畴壁内束缚态自旋波具有的传播方向和自旋波分布空间位置锁定的现象来达到自旋波单向导通的功能。所述磁结构包括两部分，一部分是具有DMI效应的铁磁绝缘材料，该材料拥有两块相反磁取向的磁畴以及在磁畴之间形成的磁畴壁；第二部分为连接到磁畴壁的两个自旋波波导，分别用于导入和导出自旋波，其中，第一个自旋波波导覆盖整个磁畴壁，第二个自旋波波导覆盖范围为0到0.5个磁畴壁不等；两个自旋波波导的相对位置关系依赖于磁畴壁内束缚态自旋波的运动方向和空间分布；自旋波波导所用的材料与上述第一部分材料不同，要求其各向异性参数低于该器件的其余部分，使得自旋波仅能在自旋波波导与磁畴壁内传播。

本发明仅由磁性绝缘材料构成，从而其载流子只包含自旋波。

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）。

本发明中，第二波导2与第一波导1的相对空间位置取决于DMI效应参数的符号。具体来说，根据DMI符号的不同以及相对空间位置的不同，二极管可以有不同的形态。先就图4为例，在图4情形中，DMI的符号为正，因此，向上传播的自旋波会靠着磁畴壁的右侧传播，而向下传播的自旋波将靠着磁畴壁的左侧传播。在这种情形下，就可以将二极管设计成图5与图6的结构，即全覆盖的自旋波波导在左上侧，半覆盖自旋波波导在右下侧。此外，还可以将二极管设计为半覆盖的自旋波波导在左上侧，全覆盖的自旋波波导在左下侧，这种结构可以实现同样的功能。上述的情形都是在DMI符号为正的情形下得出的，若DMI符号为负，则情况正好相反，此时向上传播的自旋波靠着磁畴壁的左侧，向下传播的自旋波靠着磁畴壁的右侧，因此自旋波波导的位置也要作相应的改变。总结一下就是，DMI的符号决定了自旋波在向上（或向下）传播时靠着磁畴壁的左（或右）侧，由此再决定自旋波波导的相对位置。自旋波波导空间位置的选取原则为，全覆盖自旋波波导能够接收到来自半覆盖自旋波波导的自旋波，且发出的自旋波无法被半覆盖自旋波波导所接收；半覆盖自旋波波导只能够发出自旋波，无法接收从全覆盖自旋波波导的发来的自旋波。

本发明中，第二波导2所覆盖的0至0.5个磁畴壁所处的束缚态自旋波通道中不能有自旋波存在。

本发明中，自旋波波导中传播的自旋波能隙应低于波导外材料的自旋波能隙。

本发明所述磁畴壁内束缚态自旋波的传播方向和自旋波分布空间位置锁定的现象，是指在束缚态自旋波在本发明所述的磁畴壁内传播时，当传播方向沿着磁畴壁的其中一个方向时，其自旋波将偏向磁畴壁的一侧，而当传播方向沿着磁畴壁的另一个方向时，其自旋波将偏向磁畴壁的另一侧的现象。下面将阐述这一现象的主要科学原理：

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下式（2）描述：

(2)

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。对上述LLG方程的求解，以及进一步的数值仿真证明，如图1所示的磁畴和磁畴壁的磁分布是稳定的。▽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。

自旋波是静态磁化量的激发形式，

(3)

在该如图1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）

如式（5）所示，当磁畴壁两边的磁畴内部磁指向不同时，相同波矢下自旋波的色散关系相差。当束缚态自旋波向下传播，即（kz<0）时，左边磁畴内自旋波能量低，因此磁畴内束缚态自旋波更偏向于分布在磁畴壁左侧。而当自旋波向上传播，即（kz>0）时，右边边磁畴内自旋波能量低，因此磁畴内束缚态自旋波更偏向于分布在磁畴壁右侧。此即图2所示自旋波传播的非对称效应。

图2是束缚态自旋波在磁畴壁内的传播过程中的空间分离特性示意图。图3为在给定自旋波频率（能量）下，束缚态自旋波重心位置和传播波矢之间的关系。 当传播波矢k为正值时，重心位置靠右，当传播波矢k为负时，重心位置靠左。这和图2所示的束缚态自旋波的表现是一致的。自旋波的传播波矢k越大，束缚态自旋波的重心偏离中心位置越多。

图4为自旋波束缚态的空间分离特性的仿真示意图。当自旋波在磁畴壁内激发时，向下的自旋波分布态磁畴壁左侧，而向上的自旋波分布在磁畴壁右侧。这和图2,图3给出的自旋波的分布特性是一致的。

与现有的技术相比，本发明具有以下优点：

（1）本发明中所述的自旋波二极管完全基于磁性绝缘材料，其中的信息载体的是自旋波，不是导电电子，规避了焦耳热，从而有效地降低了器件的功耗。

（2）本发明中采用的单向导通机制源于由DMI引起的自旋波空间非对称性。该非对称性普适存在于所有系统参数中，因此本发明所述二极管工作于很宽的频率范围和各种不同的磁性材料。

（3）本发明中所述器件仅基于两种磁性材料，且结构要求简单，因此易于实际制作。

（4）本发明中所述的自旋波二极管并不包含其它种类的载流子和相互作用（如电磁、声、热等），为下一代纯自旋波逻辑器件的设计奠定了基础。

本发明提供的自旋波二极管，通过自旋波在磁畴壁内传播过程中的空间分离特性来实现自旋波的单向导通。该自旋波二极管结构简单，自旋波传输单向，传输效率高，功耗小，易构造，易集成，易与现有电子芯片技术结合。可用于有效的控制自旋波的传播导向并由此进行进一步的逻辑计算。

附图说明

图1 是本发明的自旋波二极管的一种结构。

图2是束缚态自旋波在磁畴壁内的传播过程中的空间分离特性示意图。

图3是理论计算得到的束缚态自旋波中心于传播波矢之间关系图。

图4是仿真得到的磁畴壁内束缚态自旋波传播过程中的空间分离特性图。

图5是对应图1所示结构的自旋波阻断仿真示意图。

图6是对应图1所示结构的自旋波导通仿真示意图。

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二极管结构基于具有DMI效应的磁性材料的二维薄膜，在本实施例中假设该薄膜的上下两方向为无穷大。如图1所示,箭头方向代表其所在区域的磁化方向，实线之间的区域为磁畴壁，虚线为磁畴壁的中线，亦为下文中所述的束缚态自旋波左右通道的分界线。另有如图1中结构1,2所示的波导结构连接到磁畴壁中，其中结构1延伸至整个磁畴壁内，结构2只延伸至半个磁畴壁（可延伸至0到0.5个磁畴壁不等）。在磁畴壁内，除去自旋波散射态外，还存在着自旋波束缚态。当器件中自旋波的激发频率低于薄膜材料中体模式自旋波的阈值时，薄膜中仅存在局域于磁畴壁内的束缚态自旋波。磁畴壁结构用来传输束缚态自旋波。波导1用来从整个磁畴壁截面导入或导出自旋波，而波导2用来从其中半个磁畴界面导入或导出自旋波。为了使自旋波只能在波导1、波导2以及磁畴壁内传播，要求波导1与波导2所用材料拥有更若的各向异性，可以通过如下方式实现：降低波导1与波导2的各项异性常数，或者在垂直于波导1与波导2磁化方向处增加额外的单轴各向异性。

图2是在本实施例中自旋波束缚态的空间分布与传播方向关系的示意图。在本实施例中的磁畴壁为布洛赫壁（Bloch Wall）。当束缚态自旋波在磁畴壁内向下运动时，束缚态自旋波将偏向左边；而当束缚态自旋波在磁畴壁内向上运动时，该自旋波将偏向右边。磁畴壁内由此形成两条彼此独立的自旋波通道，分别只容纳向上或向下传播的束缚态自旋波。如图1，当具有上述空间传播非对称性的自旋波由波导1导入磁畴壁内时，向上传播的束缚态自旋波处在右通道，而向下传播的自旋波处在左通道。 由于波导2的空间位置处在波导1的下方，因此向上传播的束缚态自旋波无法被波导2所接收；又由于波导2只覆盖了磁畴壁的右半侧，向下传播的束缚态自旋波因其处在左通道而无法被波导2所接收。该情形即为自旋波二极管的阻断状态。同理，当自旋波由波导2导入到磁畴壁内时，由于波导2只覆盖了磁畴壁的右半侧，因此波导2中的自旋波只能被磁畴壁的右通道吸收从而向上传播。由于波导1覆盖了整个磁畴壁，故波导1能够从磁畴壁的右通道中接收到向上传播的束缚态自旋波，从而实现了自旋波从波导2至波导1的导通。此情形即为自旋波二极管的导通状态。上述自旋波从结构2到结构1的单向导通，表明本结构为一个典型的自旋波二极管结构。

图5 ，图6为自旋波二极管的典型工作仿真图。图5中，自旋波由图1所示的波导1导入，从结构2导出。如仿真图所示，在实际情况下，由于自旋波的波动性十分显著，仍能有一小部分自旋波能量穿过磁畴壁被波导2接收，但振幅非常微弱。图6中，自旋波由图1中的波导2导入，从波导1导出。根据仿真结果，在导通状态下接收端所接受的自旋波振幅要比阻断状态下大一个数量级以上。图5,6所述的自旋波的传输情况，表明本发明中所述的如图1所述的结构具有自旋波单向导通的特性，为一个典型的自旋波二极管结构。

Claims (5)

1.一种具有单向导通特性的自旋波二极管，其特征在于，是在具有DMI效应的铁磁绝缘材料上构造的磁结构，包括两部分：一部分是具有DMI效应的铁磁绝缘材料，该材料拥有两块相反磁取向的磁畴以及在磁畴之间形成的磁畴壁；第二部分为连接到磁畴壁的两个自旋波波导，分别用于导入和导出自旋波，其中，第一个自旋波波导覆盖整个磁畴壁，第二个自旋波波导覆盖范围为0到0.5个磁畴壁不等；两个自旋波波导的相对位置关系依赖于磁畴壁内束缚态自旋波的运动方向和空间分布。

2.如权利要求1所述的自旋波二极管， 其特征在于，所述自旋波波导所用的材料与上述第一部分材料不同，其各向异性参数低于该器件的第一部分材料，使得自旋波仅能在自旋波波导与磁畴壁内传播。

3.如权利要求1所述的自旋波二极管， 其特征在于，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。

4.如权利要求1所述的自旋波二极管， 其特征在于，第二自旋波波导与第一自旋波波导的相对空间位置取决于DMI效应参数的符号，并且第二自旋波波导所覆盖的0至0.5个磁畴壁所处的束缚态自旋波通道中没有自旋波存在。

5.如权利要求2所述的自旋波二极管，其特征在于，自旋波波导中传播的自旋波能隙低于波导外材料的自旋波能隙。