CN106711321A - 一种自旋波波片 - Google Patents

Abstract

本发明属于磁性器件技术领域，具体为一种自旋波波片。该自旋波波片基于具有DMI效应的反铁磁材料（或人工反铁磁结构），其结构为一垂直磁化的反铁磁纳米线，该纳米线中存在两块磁化方向相反的磁畴与一磁畴壁。当体系具有DMI效应时，平行于磁畴壁的线偏模式与垂直于磁畴壁的线偏模式会经历不同的传播过程，从而产生相位差，由此入射的自旋波的偏振状态能够被任意调控。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

一种自旋波波片

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波片。

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、自旋波波片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。自旋波波片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结构简单、易于制备、功耗小、性能优异的自旋波波片。

本发明提供的自旋波波片，是在具有DMI(Dzyaloshinskii-Moriya Interaction,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相位延迟不同来实现调制自旋波偏振状态的功能。所述磁结构为一反铁磁纳米线，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。自旋波能够在该反铁磁纳米线中传播。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。

本发明提供的自旋波波片，其功能为，当输入自旋波波片的自旋波处在某一固定偏振状态时(如圆偏振、椭圆偏振、线偏振)，其输出后能被调控至任意偏振状态(如从圆偏振调制成线偏振，反之亦然)。

本发明基于反铁磁绝缘材料，从而其载流子只包含自旋波。

本发明所述的自旋波波片，其主要工作原理为，自旋波的任一偏振模式都可以描述为两种线性偏振模式的线性叠加，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”,通过调节这两种线性偏振成分的相对相位，原则上获得处在任意偏振状态的自旋波。对于处在x方向的一维反铁磁纳米线体系，当体系具有体DMI(Bulk DMI)效应时，磁畴壁会稳定在布洛赫壁(Bloch Wall)构型，即磁畴壁中心的磁矩平行于y方向。此时，通过自旋波波片的自旋波中，x偏振成分会获得比y偏振成分更多的相位，从而实现了自旋波偏振状态调控的功能。其中，x偏振成分与y偏振成分所获得的相位差依赖于体系各项参数以及自旋波的频率。同理，当体系具有界面DMI效应(Interfacial DMI)时，磁畴壁会稳定在奈尔壁(Neel Wall)构型，即磁畴壁中心的磁矩平行于x方向。此时，通过自旋波波片的自旋波中，y偏振成分会获得比x偏振成分更多的相位。

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：

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，γ₀＝2γ/(μ₀M_s)是归一化的磁旋常数，其中γ是电子磁旋常数，μ₀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H_1/2,eff可由下式(2)描述：

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m₁(x)＝(sinθcosφ,sinθcosφ,cosθ)，那么磁畴壁必须为布洛赫型的，即其形式表示为Walker形式φ(x)＝0,π，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δm₁₍₂₎＝m_1(2),θe_θ+m_1(2),φe_φ，其中e_θ和e_φ为垂直于m₁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

其中，V_K(x)和V_D(x)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e_φ方向振动，而模式主要在e_θ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V_K(x)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V_D(x)的影响很大，而在y偏振通道，势V_D(x)的影响很小。因此在相对较高的自旋波频率下，x偏振和y偏振自旋波都会基本无损的穿过该磁畴壁，然而，由于在x偏振通道里势V_D(x)的影响，x偏振自旋波和y偏振自旋波通过磁畴壁时会积累一个相对的相位，也就是说，该反铁磁磁畴壁是一个自旋波波片。

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波片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波片几何尺寸处在纳米(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波片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波片，当反铁磁体系具有DMI效应时，通过磁畴壁的两种线性偏振模式获得的相位不同，从而实现对输入自旋波的偏振状态的调控。该自旋波波片功耗小，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偏振自旋波通过磁畴壁后的相位差随频率变化关系图。

图3是本发明第一种实施例的结构图。

图4是本发明第一种实施例的仿真效果图。

图5是本发明第二种实施例的结构图。

图6是本发明第二种实施例输入端的仿真效果图。

图7是本发明第二种实施例输出端的仿真效果图。

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波片基于具有DMI效应的反铁磁纳米线。在本发明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。

图1所示是本发明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偏振或圆偏振等)从反铁磁纳米线中的一端注入，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偏振自旋波通过磁畴壁后的相位差随频率变化关系图，实线为理论计算结果，圆形数据点为仿真结果。根据图2的结果，在7GHz至20GHz频率区间内，x偏振与y偏振自旋波在通过磁畴壁后的相位差从-0.8π至0.8π不等。在本发明中，自旋波的工作频率选定为16.2GHz，此时x偏振与y偏振自旋波在经过单个磁畴壁后的相位差达到0.5π。

图3所示是本发明第一种实施例的磁结构示意图。图中黑色与白色区域分别代表磁化方向相反的磁畴。反铁磁纳米线在x方向延伸，在纳米线的位置2、位置3、位置4和位置5各存在一反铁磁磁畴壁，相邻两个磁畴壁间的间距为800纳米。

图4所示是本发明第一种实施例的仿真效果图。图4中实线表示纳米线上层格子磁矩的x分量，虚线表示纳米线下层格子磁矩的x分量，点状线标示了图3中位置2、位置3、位置4以及位置5。根据图4的结果，处在左旋圆偏振的自旋波从纳米线左端注入，经过第一个磁畴壁后变成为正45度线性偏振，经过第二个磁畴壁后变为右旋圆偏振，经过第三个磁畴壁后变为负45度线性偏振，经过第四个磁畴壁后再次回到了左旋圆偏振。

图5所示为本发明第二种实施例的磁结构示意图。相比于第一种实施例，本实施例中的纳米线在空间上被弯曲，呈45度斜向延展。在位置6与位置7处各存在一反铁磁磁畴壁。

图6所示为本发明第二种实施例输入端的仿真效果图。数据提取自图5中位置8处。实线代表x偏振模式，虚线代表y偏振模式。由图6可知，输入端的自旋波为x线偏模式。

图7所示为本发明第二种实施例输出端的仿真效果图。数据提取自图5中位置9处。实线代表x偏振模式，虚线代表y偏振模式。由图7可知，输出端的自旋波为y线偏模式。即本实施例能够将x线偏模式转变为y线偏模式(反之亦然)。

Claims (3)

1.一种自旋波波片，其特征在于，其结构基于具有DMI效应的反铁磁纳米线，反铁磁纳米线中具有磁畴壁，自旋波能够在该反铁磁纳米线中传播。

2.如权利要求1所述的自旋波波片，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所述的自旋波波片，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。