CN105070824A - 一种基于磁畴壁的可重构自旋波导线网络 - Google Patents

Abstract

本发明属于磁性器件技术领域，具体为一种基于磁畴壁的可重构自旋波导线网络。该自旋波导线网络基于磁性材料中不同磁畴间的磁畴壁，由于在磁畴壁中存在束缚态的自旋波，自旋波可以沿着磁畴壁传播，即构成了自旋波导线。通过改变磁畴的磁化方向，磁畴壁的构型也会发生相应的变化，因此本发明是可以进行重构的。由于自旋波器件的信息载体为自旋波，可以规避由传导电子带来的焦耳热，因此基于自旋波的器件可以大大降低能耗，而可重构的自旋波导线网络由于其易重构、能耗低的特点将成为未来自旋波器件的重要组成部分。

Description

一种基于磁畴壁的可重构自旋波导线网络

技术领域

本发明属于磁性器件技术领域，具体涉及一种基于磁畴壁的可重构自旋波导线网络。

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。自旋波是磁性材料中磁矩的一种集体激发，可有效的携带自旋信息。不同于电子只能在导体材料中传播，自旋波可以在磁性导体、半导体、绝缘体中传播，因此自旋波器件在材料选择上的自由度远大于电子器件。同时，自旋波无需电子的移动，因此不存在焦耳热，从而能更加有效的减小传输过程中的损耗，对于节能有极大好处。

构建处理自旋波信息的基础部件包括自旋波二极管，自旋波三极管等，其中最不可或缺就是用来传输自旋波的导线。作为自旋信息处理系统中的基础器件，自旋波导线的功能在于将作为信息载体的自旋波导向各个功能器件进行处理，这就要求自旋波导线能够低损耗且容易排布。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于磁畴壁的可重构自旋波导线网络。

本发明提供的可重构自旋波导线网络，其自旋波导线是基于磁性薄膜材料中磁畴间的磁畴壁作为波导实现的。

本发明中，所述磁性薄膜材料可被划分为若干单元，每个单元为一个磁畴，且每单元的磁畴的磁化方向可以单独控制。

在磁性材料中，由于交换作用、磁晶各项异性以及磁偶极相互作用之间的竞争，系统为了降低总能量会自发形成方向各异的小型磁化区域，即磁畴，而相邻磁畴的过渡区域则为磁畴壁。通过理论计算表明，自旋波在磁畴壁中有一束缚态解，在仅考虑交换作用以及磁晶各项异性的情形下该自旋波模式的能隙为零，由于这种特性，磁畴壁即可作为自旋波导线用来传导自旋波。

本发明所述的可重构自旋波导线网络，可在相邻磁畴单元间使用人工方法进行结构修饰，如制造沟槽等，目的是将磁畴壁钉扎在磁畴单元的边界处。

本发明中，自旋波的工作频率应低于材料的体态自旋波能隙。

本发明中，磁畴的形成可以通过外加磁场的方式进行控制，相邻磁畴间方向的相同与不同，可直接决定磁畴间是否存在磁畴壁。磁畴的排列方式不同，磁畴壁的排布也会发生相应改变。通过对磁畴的排列方式进行编辑，可以获得任意的自旋波导线分布方式，因此本发明是可重构的。

本发明中，所述磁畴壁，当磁晶各向异性为单轴各向异性时，材料中仅存在180度磁畴壁；当磁晶各项异性为双轴或立方各项异性时，材料中会出现90度或180度磁畴壁。具有更高重对称性的材料，其磁畴壁的种类可以更多。

根据理论计算，两种磁畴壁中都存在束缚态自旋波，因此都可以用来作为自旋波导线。

下面将阐述这一现象的主要科学原理：

在磁性材料中，磁的动力学方程由LLG(Landau-Lishitz-Gilbert)方程描述：

（1）

其中m是归一化的磁化矢量，是Glibert磁阻尼系数，是磁旋系数。每个磁矩所感受到的有效场可以表述为：

(2)

其中A是磁交换系数，Kc是立方各向异性系数，m1、m2和m3为磁化矢量m分别在x、y和z分量上的分量，为拉普拉斯算子。

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导线基于磁性材料，其中的信息载体的是自旋波，不是导电电子，规避了焦耳热，从而可以大大降低器件的功耗。本发明是未来自旋波器件的必备组件之一；

（2）本发明中自旋波导线的排布可以通过改变磁畴内磁矩的指向来实现。由于公知的磁化翻转技术已十分成熟，对于自旋波导线网络的重构也十分简便，这为未来自旋波器件的设计提供了方便。

附图说明

图1是本发明的一种自旋波导线网络结构示意图。

图2是图1中结构的微磁学仿真图。

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。本实施例所采用的材料为钇铁石榴石（YIG），其中磁交换系数A=0.328e-10Am，立方各向异性系数Kc=0.388e5A/m,磁旋系数为2.21e5Hz/(A/m)。

图1为本发明所述的自旋波导线网络的一种结构示意图，1——自旋波导线（即磁畴壁），2——磁畴。磁性薄膜材料被等间隔地分为4行4列共16个单元，每个单元为一个磁畴，单元中的箭头代表该磁畴的磁化方向。考虑该磁性材料具有立方各项异性，初始状态下磁矩全都排列于面内。系统稳定后，磁化方向不同的磁畴之间会形成90度或180度磁畴壁。在本实施例中，相邻磁畴之间的区域由人工制造的沟槽隔开，沟槽的宽度与磁畴壁的宽度相当。设置该人工结构的目的有二：一是通过此种方式将各个单元间隔开来，这为后期对自旋波导线网络进行重构提供了方便；二是通过这种人工制造的结构缺陷使得磁畴壁能够钉扎在磁畴间的过渡区域。

图2为根据图1结构所做的微磁学仿真图。磁性薄膜的尺寸为2000纳米长，2000纳米宽，10纳米厚。薄膜被等间隔划分为了16个单元，每个单元之间有一深4纳米、宽90纳米的圆柱形沟槽相隔。仿真结果显示，自旋波能够沿着该自旋波导线网络中设置好的路径进行传播。

Claims (4)

1.一种基于磁畴壁的可重构自旋波导线网络，其特征在于，其自旋波导线是基于磁性薄膜材料中磁畴间的磁畴壁作为波导实现的。

2.根据权利要求1所述的可重构自旋波导线网络，其特征在于所述磁性薄膜材料被划分为若干单元，每个单元为一个磁畴，且每单元的磁畴的磁化方向可以单独控制。

3.根据权利要求1或2所述的可重构自旋波导线网络，其特征在于，所述磁畴壁，当磁晶各向异性为单轴各向异性时，材料中仅为180度磁畴壁；当磁晶各项异性为双轴或立方各项异性时，材料中出现90度或180度磁畴壁；具有更高重对称性的材料，其磁畴壁的种类更多。

4.根据权利要求1或2所述的可重构自旋波导线网络，其特征在于，在相邻磁畴单元间使用人工方法进行结构修饰，使磁畴壁钉扎在磁畴单元的边界处。