CN106653997A - 一种具有选择性滤波特性的自旋波起偏器 - Google Patents

Abstract

本发明属于磁性器件技术领域，具体为一种具有选择性滤波特性的自旋波起偏器。该自旋波起偏器基于具有 DMI效应的反铁磁材料或人工反铁磁结构，其结构为一反铁磁纳米线，该纳米线中存在两块磁化方向相反的磁畴与介于两者之间的磁畴壁。当体系具有DMI效应时，平行于磁畴壁的线偏模式能够无反射通过，垂直于磁畴壁的线偏模式会被反射，由此对不同偏振模式自旋波的选择性过滤，达到了起偏器的效果。通过调控纳米线的排布方向以及磁畴壁在纳米线中的位置，本发明可以实现任意方向的线偏过滤。本发明结构简单，易于制备，功耗小，易与现有电子芯片技术结合，可用于有效操控自旋波的偏振特性并实现进一步的逻辑运算。

Description

一种具有选择性滤波特性的自旋波起偏器

技术领域

本发明属于磁性器件技术领域，具体涉及一种具有选择性滤波特性的自旋波起偏器。

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波二极管，自旋波三极管以及自旋波起偏器等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。自旋波起偏器是一种具有最简单结构的调控自旋波偏振状态的基础部件。在反铁磁（或人工反铁磁）系统中，信息“1”和“0”可分别与自旋波的不同偏振状态相对应，对自旋波偏振状态的调控意味着实现了对信息的处理。目前为止尚未有对自旋波偏振状态进行调制的器件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有选择性滤波特性的自旋波起偏器。

本发明提供的自旋波起偏器，是在具有DMI(Dzyaloshinskii-MoriyaInteraction,Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用)效应的反铁磁材料（或人工反铁磁结构）上构造的磁结构，利用磁畴壁对不同偏振自旋波的通过率不同来实现调制自旋波偏振状态的功能。所述磁结构为一垂直磁化的反铁磁纳米线，该纳米线中存在两块相反磁取向的磁畴以及在磁畴之间自然形成的磁畴壁。自旋波从纳米线的一端输入，通过磁畴壁后从纳米线的另一端输出。其中偏振方向平行于x方向的自旋波定义为“x偏振自旋波”，偏振方向平行于y方向的自旋波定义为“y偏振自旋波”

本发明提供的自旋波起偏器，其功能为，当输入自旋波起偏器的自旋波处在任意偏振状态时（如圆偏振、椭圆偏振或无规则偏振，平行于磁畴壁方向的线偏状态除外），仅某一特定线性偏振状态（平行于磁畴壁方向）的自旋波能够被输出。

本发明中，自旋波起偏器对于偏振状态的选择特性依赖于DMI的具体形式。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），此时自旋波起偏器会选择性输出与磁畴壁平行的偏振状态，即Y方向线偏自旋波；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），此时自旋波起偏器会选择性输出与磁畴壁平行的偏振状态，即X方向线偏自旋波。

本发明基于反铁磁绝缘材料，从而其载流子只包含自旋波。

本发明所述的选择性滤波特性，其主要原理为，当处在某一线性偏振状态下的自旋波（例如X方向线偏）通过该自旋波起偏器结构后会被有效地反射从而被阻断；对于与其正交的另外一种偏振模式（例如Y方向线偏）的自旋波，则能够无反射地通过起偏器。下面将阐述这一现象的主要科学原理：

在带有DMI效应的反铁磁材料中，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，下标1、2代表反铁磁结构中两套子晶格，α是Glibert常数，是归一化的磁旋常数，其中γ是电子磁旋常数，是真空中的磁介质常数，M_s是饱和磁化量。而磁化矢量m引起的有效磁场可由下式（2）描述：

（2）

该有效磁场强度由易轴磁各向异性K,子晶格内磁交换强度A,DMI强度D，以及子晶格间反铁磁交换强度J控制。

在反铁磁体系下中，反铁磁交换作用很强，所以两套子晶格的磁化矢量在相同位置趋向于反平行。在由式(1)和式(2)描述的反铁磁体系中，存在两种不同的均匀磁畴。在两种磁畴中磁化矢量分别为和。在两种不同的磁畴间，存在磁畴壁，其中磁化矢量方向在和之间渐变。如果只研究其中一套子晶格中的m₁,并将m₁(x)在球坐标系下表示为，那么磁畴壁必须为Bloch形的，即其形式表示为Walker形式，磁畴壁内的磁化矢量被DMI固定在y-z平面内。

如果规定在磁畴壁内的自旋波的形式为，其中和为垂直于的两个横向方向，那么根据式(1)，在磁畴壁内自旋波的动力学方程为

(3)

(4)

其中，，和分别为易轴磁各向异性K和DMI在磁畴壁内带来的等效势。在式(3)(4)描述了两种不同的自旋波模式，其中模式主要在方向振动，而模式主要在方向振动。这两种不同的自旋波模式在磁畴壁两边的均匀磁畴中分别对应y偏振模式和x偏振模式，式（3）（4）提供的自旋波模式相当于x偏振和y偏振在磁畴壁内的通道。

如果没有DMI，那么由于是一个无反射势，两个偏振通道都是无反射的。有DMI下的两个偏振通道的行为可以通过研究局域的自旋波的色散关系得出。在一阶近似下，x和y偏振的色散关系近似为

由于反铁磁相互作用很强，J比其它参数大很多，所以在x偏振通道，势的影响很大，而在y偏振通道，势的影响很小。因此在相对较低的自旋波频率下，x偏振自旋波在遇到磁畴壁时会被强烈的反射，而y偏振自旋波仍然会基本无损的穿过该磁畴壁，也就是说，磁畴壁是一个自旋波起偏器。

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起偏器完全反铁磁绝缘材料，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）本发明中所述的自旋波起偏器几何尺寸处在纳米（10^-9m）量级，易于高密度集成；

（3）本发明中所述器件仅基于单种反铁磁材料（或人工反铁磁结构），其结构为具有两块相反磁畴的纳米线，工艺简单，制备技术成熟；

（4）本发明所采用的为反铁磁材料（或人工反铁磁结构），自旋波频率可高达太赫兹（10¹²Hz）量级,远大于传统铁磁材料的吉赫兹（10⁹Hz）量级，能够大大提高逻辑计算的速度；

（5）本发明中所述的自旋波起偏器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起偏器，通过反铁磁体系具有DMI效应时，磁畴壁对不同偏振模式自旋波的通过率不同而起到对自旋波的起偏效果。该自旋波起偏器功耗小，尺寸小，易构造，易集成，可用于有效地控制自旋波的偏振状态并由此进行进一步的逻辑计算。

附图说明

图1是本发明的磁结构。

图2是x偏振与y偏振自旋波的透射率随频率变化关系图。

图3是本发明的效果示意图。

图4是本发明一种实施例的几何机构。

图5是在x起偏器中x偏振自旋波的传播仿真图。

图6是在x起偏器中y偏振自旋波的传播仿真图。

图7是在y起偏器中x偏振自旋波的传播仿真图。

图8是在y起偏器中y偏振自旋波的传播仿真图。

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。

本发明中的一种自旋波起偏器基于具有DMI效应的反铁磁纳米线。在本实施例中假设该纳米线在左右两方向为无穷长。在本实施例中所使用的是人工反铁磁结构，纳米线由两层磁化方向相反的铁磁材料组成，两铁磁层中通过引入重金属层而具有公知的RKKY相互作用从而实现反铁磁耦合，各磁畴都处于垂直磁化状态。

图1所示是本实施例中人工反铁磁纳米线内的磁结构，纳米线沿x方向延展，在纳米线中部存在一反铁磁磁畴壁1。本实施例所采用的为体DMI形式，故所形成的磁畴壁为布洛赫型。拥有某种偏振特性的自旋波（x偏振、y偏振、圆偏振或随机偏振等）从反铁磁纳米线中的一段注入，经过磁畴壁后从另一端输出。

图2所示是当DMI强度为D=0.003A时的x偏振与y偏振自旋波透射率随频率变化关系图，实线与虚线为理论计算结果，方形与圆形数据点为仿真结果。根据图2的结果，在7GHz至10GHz频率区间内，x偏振与y偏振自旋波的透射率有着显著的不同，x偏振自旋波在该频率区间内能够被有效地反射，而y偏振自旋波可以无反射地通过。在大于10GHz的频率区间内，x偏振与y偏振自旋波都能够无反射地通过。

图3所示是本实施例仿真效果图。处于圆偏振态（由x偏振和y偏振两种偏振线性叠加而成），频率为8GHz的自旋波从自旋波起偏器的一端输入。图3中分别显示了该圆偏振自旋波中两种线偏成分的通过效果。其中x偏振自旋波2被反铁磁磁畴壁阻断并反射，y偏振自旋波3能够无反射地通过反铁磁磁畴壁。当处在圆偏振的自旋波通过反铁磁磁畴壁后会被转化为y偏振，此即本发明所述自旋波起偏器的效果。

图4所示是本发明另一种实施例的几何结构。反铁磁纳米线具有“Z”型结构，包含水平方向与竖直方向两部分。反铁磁磁畴壁可分别处在位置4或位置5。反铁磁磁畴壁在纳米线中的位置可通过公知的电流驱动，外场驱动等方式进行调控。当反铁磁磁畴壁处在位置4时，磁畴壁中心的磁矩处在x方向，此时的自旋波起偏器为x起偏器。当反铁磁磁畴壁处在位置5时，磁畴壁中心的磁矩处在y方向，此时的自旋波起偏器为y起偏器。

图5所示为x起偏器中x偏振自旋波的传播仿真图。x偏振自旋波能够无反射地通过自旋波起偏器。

图6所示为x起偏器中y偏振自旋波的传播仿真图。y偏振自旋波无法通过自旋波起偏器。

图7所示为y起偏器中x偏振自旋波的传播仿真图。x偏振自旋波无法通过自旋波起偏器。

图8所示为y起偏器中y偏振自旋波的传播仿真图。y偏振自旋波能够无反射地通过自旋波起偏器。

Claims (3)

1.一种具有选择性滤波特性的自旋波起偏器，其特征在于，其结构基于具有DMI效应的反铁磁纳米线中的磁畴壁，自旋波能够在该反铁磁纳米线中传播。

2.如权利要求1所述的自旋波起偏器，其特征在于，反铁磁纳米线由反铁磁材料或人工反铁磁结构构成。

3.如权利要求1所述的自旋波起偏器，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。