CN108279065A - 一种探测自旋波信息传输频率的方法 - Google Patents

Abstract

一种探测自旋波信息传输频率的方法，属于自旋波探测技术领域。本发明在载有待测自旋波的磁畴壁一侧激发一个入射自旋波，使得入射自旋波穿过磁畴壁且与待测自旋波相互作用形成透射自旋波，分析得到透射自旋波与入射自旋波之间频率的间隔即为沿磁畴壁传播的自旋波的频率。本发明能够动态监测并解析得到沿磁畴壁传播的自旋波的频率和波矢信息，相较现阶段采用布里渊光散射光谱技术(BLS)探测磁畴壁里面传播的自旋波信息而言，本发明无需确定磁畴壁的精确位置，并且不会破坏磁结构，实现了在信息传递过程中的实时监测，同时还具有操作简便、成本低、探测效果好的优势。

Description

一种探测自旋波信息传输频率的方法

技术领域

本发明属于自旋波探测技术领域，具体涉及一种探测自旋波信息传输频率的方法。

背景技术

就目前而言，我们通常使用和制造的微波铁氧体器件，大都是利用了铁氧体中的磁矩围绕外磁场一致进动的性质。而事实上，一致进动仅仅是磁矩运动的一种形式。相邻磁矩间相位、振幅不相等的非一致进动也是存在的，这种非一致进动形式，一般称之为自旋波。随着对自旋波研究的不断深入，人们发现自旋波可以作为信息的传递载体，并且具有独特的传播特性：在信息传递过程中不会使电子发生移动。因此利用自旋波来传递信息能够避免焦耳热的问题，更加有效的减小信息传输过程中的损耗。并且由于自旋波的波长很短，比同频率的电磁波的波长小很多，这样顺应了器件的微小型化的发展趋势。同时，自旋波易于激发，易于检测，信息存储密度大，功耗小，易耦合。因此，自旋波成为了继现代以电子、光为信息载体的下一代信息技术的理想信息载体。

处理自旋波信息的基础部件中最不可或缺的就是用来传输自旋波的导线。大量研究表明，磁畴壁相当于一个势阱，当自旋波的能量比较低时，自旋波被束缚在磁畴壁中，且只能沿着磁畴壁传播，这种状态称为束缚态。磁畴壁具有的这一性质能够被用来做自旋波传输的通道，具体参考K.Wagner等人发表的文章《Magnetic domain walls asreconfigurable spin-wave nanochannels》(《磁畴壁作为可重构的自旋波纳米通道》)以及Jin Lan等人发表的文章《Spin-Wave Diode》(《自旋波二极管》)。上述方法在一定程度上保证了信息传递的安全性，但是随之而来的问题就是如何对磁畴壁里面的自旋波信息进行探测。目前主要采用布里渊光散射光谱技术(BLS)，BLS技术对于光强控制要求严苛，如果强度太大会减小材料的饱和磁化强度甚至是破坏材料的磁性结构；同时，BLS技术是通过线扫描方式来探测，由于自旋波是束缚在磁畴壁且只能沿着磁畴壁传播，因此只有当扫描光精确到达磁畴壁位置时才能读取磁畴壁内的自旋波信息，如果扫描间隔较大会遗漏磁畴壁的位置信息，但是如果扫描间隔设置的很小，通常需要复杂的操作和花费很长的时间，操作起来并不方便，探测效率低。因此，由于精准地确定载有信息的磁畴壁的位置难度高以及线扫描方式自身的局限性，限制了基于BLS技术探测磁畴壁内自旋波信息在实际中的应用。综上所述，如何探测磁畴壁内的自旋波信息成为了本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

鉴于上文所述，本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提出一种操作简单、有效，成本低的方法来解析沿磁畴壁传播的自旋波信息。

为了实现上述目的，本发明提出如下技术方案：

一种探测自旋波信息传输频率的方法，其特征在于：在已知位置且载有待测自旋波的磁畴壁一侧激发一个入射自旋波，使得入射自旋波穿过所述磁畴壁且与待测自旋波相互作用形成透射自旋波，在磁畴壁另一侧探测透射自旋波，透射自旋波与入射自旋波之间频率的间隔即为沿磁畴壁传播的待测自旋波的频率。

进一步地，在磁性材料上确定载有待测自旋波的磁畴壁的位置是利用磁力显微镜或者磁光克尔显微镜直接观测后根据所用显微镜的比例尺度对应到磁性材料相应位置。

进一步地，在磁性材料上确定载有待测自旋波的磁畴壁的位置是先将铁磁粉末的胶体悬浮液涂覆在磁性材料表面，然后利用金相显微镜观测后根据所用显微镜的比例尺度对应到磁性材料相应位置。

进一步地，在磁性材料上确定载有待测自旋波的磁畴壁的位置是使得电子束的一部分经过待测磁性材料而电子束另一部分不经过待测磁性材料，利用透射电子显微镜观测并将干涉条纹进行相干放大，并根据所用比例尺度对应到磁性材料相应位置。

进一步地，激发入射自旋波的方式采用微波发射天线、超短激光脉冲或者自旋极化电流。

进一步地，探测透射自旋波的方式采用微波接收天线或者利用逆自旋霍尔效应将自旋波转化成电信号来进行测量。

本发明的原理具体如下：利用入射自旋波穿透磁畴壁，大部分入射自旋波均可直接穿过磁畴壁成为透射自旋波，这样透射自旋波的频率与入射自旋波的频率是一样的，但是存在一部分入射自旋波会与沿磁畴壁传播的自旋波(以下称为信息载体自旋波)相互作用，通过分析透射自旋波信息携带的特征即可获取信息载体自旋波所携带的信息。上述提到的相互作用的过程主要为两种情况：其一为汇合过程，当入射自旋波与信息载体自旋波相汇合，相互作用的结果只产生了一个透射自旋波，这一透射自旋波的频率为入射自旋波与信息载体自旋波二者频率之和，由此可得到信息载体自旋波的频率和波矢；另一为在汇合过程的基础上还存在劈裂过程，当入射自旋波被信息载体自旋波被劈裂会产生两个自旋波，其中一个自旋波仍然束缚在磁畴壁里面，频率与原信息载体自旋波的频率相同，另一个则产生了一个与汇合过程的透射自旋波不同的透射自旋波，劈裂过程产生这一透射自旋波的频率为入射自旋波与信息载体自旋波二者的频率之差。综上所述，在对透射自旋波进行分析时，除与入射自旋波频率相同的信号外，另外的信号要么是在入射自旋波频率基础上加上信息载体自旋波的频率，要么就是在入射自旋波频率的基础上减去信息载体自旋波的频率，因此透射自旋波信号与入射自旋波信号的频率间隔即为信息载体自旋波的频率信息。

相比现有技术，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种动态监测并解析得到沿磁畴壁传播的自旋波的频率和波矢信息，相较现阶段采用布里渊光散射光谱技术(BLS)探测磁畴壁里面传播的自旋波信息而言，本发明无需确定磁畴壁的精确位置，并且不会破坏磁结构，实现了在信息传递过程中的实时监测，同时还具有操作简便、成本低、探测效果好的优势。

附图说明

图1为本发明的基本磁结构(磁畴壁形成了一个束缚态)。

图2为自旋波传播的色散关系图；其中：图(a)为在磁畴中传播的色散关系图，图(b)为沿着磁畴壁传播的色散关系图。

图3为本发明具体实施例提供的透射自旋波信号的仿真图；其中：图(a)为考虑磁畴壁的存在所得仿真图，图(b)为不考虑磁畴壁的存在所得仿真图。

图4为本发明具体实施例提供的入射自旋波的频率为30GHz时穿过磁畴壁所得透射自旋波信号的波矢仿真图；其中：图(a)为未发生相互作用的透射自旋波信号图，图(b)为发生汇合过程的透射自旋波信号图。

图5为本发明具体实施例提供的不同入射自旋波频率穿过磁畴壁所得透射自旋波信号的仿真图。

图6为本发明具体实施例提供的入射自旋波的频率为34GHz时穿过磁畴壁所得透射波信号的波矢仿真图；其中：图(a)为发生劈裂过程的透射自旋波信号，图(b)为未发生相互作用的透射自旋波信号，图(c)为发生汇合过程的透射自旋波信号。

具体实施方式

下面结合具体实施例和说明书附图对本发明的原理及特性进行详细说明：

实施例：

本发明的要旨在于提供一种在自旋波信息传输过程中探测沿磁畴壁传播的自旋波信息的方法，具体的实施方式如下：首先用磁力显微镜(MFM)或者磁光克尔显微镜直接观测得到磁性材料的微观结构图，通过观察微观结构图即可找到磁畴壁位置，根据图像与实物的放大比例能够粗略地在磁性材料上确定待探测磁畴壁的位置；本发明对确定磁畴壁位置的方式不做限制，除了上述实施方式外，本发明确定磁畴壁位置的方式并不局限于此，熟悉本领域知识的技术人员应当知道，确定磁畴壁的方式还可以采用粉纹法，所述粉纹法是将细铁磁粉末的胶体悬浮液涂覆于磁性材料表面，铁磁粉末受到磁性材料局部磁场的作用，进而形成反映磁性材料表面的磁畴结构，利用金相显微镜对所述磁畴结构进行观测，两个不同磁畴之间的过渡区域即为磁畴壁；另外，也可以采用电子全息法，所述电子全息法是将电子束一半经过待测材料，另一半不经过待测材料，由于磁场的存在，电子的相位会发生变化，通过透射电子显微镜观测上述两种情况得到的电子束的干涉条纹并利用Mach-Zehnder干涉仪对所述干涉条纹进行相干放大后就可以得到磁畴的精细结构，全息图中同一颜色的区域代表一个磁畴，不同磁畴之间的过渡区域即为磁畴壁；

确定了磁畴壁之后，以磁畴壁为界线在其一侧激发一个自旋波，本发明对激发自旋波的方式不做限制，本实施例是通过在磁畴壁一侧设置一个微波发射天线，进而使得微波发射天线辐射出一个自旋波作为探测自旋波穿过磁畴壁；熟悉本领域知识的技术人员应当知道，还可以采用超短激光脉冲，同样也可以采用自旋转移力矩的方式，所述自旋转移力矩的方式具体是使电流通过铁磁体形成自旋极化电流，然后注入到待测磁性材料中，自旋极化电流所携带的自旋角动量会转移到磁性材料的磁矩上，使得磁矩发生转动，进而带动周围磁矩进动，从而产生自旋波；

之后，在磁畴壁另一侧探测从磁畴壁穿出的透射自旋波，本发明对探测透射自旋波的方式不做限制，本实施例是相应设置微波接收天线对透射自旋波信号进行检测，熟悉本领域知识的技术人员应当知道，还可以利用逆自旋霍尔效应将自旋波转化成电信号来进行测量，目前实验具体采用如下的方法：考虑一个在玻璃模版上的一个铁磁体/有机半导体/铜三层薄膜结构，其中铜作为两个电极嵌入有机半导体中，铁磁体作为接受自旋波的载体，当自旋波通过铁磁体进入到有机半导体时，由于逆自旋霍尔效应的存在，会在两个铜电极上积累电荷，然后用电压表测量两个铜电极上的电压，不同电压大小表示不同频率的自旋波，由此读出自旋波信息。

图1所示是本发明给出的一种磁结构的示意图，其中左右两边是两个磁畴，中间的过渡区域是一个奈尔型磁畴壁(图中用虚线标识)，而我们要探测的就是该磁畴壁里面的自旋波的频率。

下面将通过分析对透射自旋波与入射自旋波相作用来获取沿磁畴壁里面传播的自旋波信息这一技术手段进行原理性说明：

由于各向异性的存在，自旋波在磁畴壁里面的色散关系是不一样的，磁畴壁里面的色散关系可简写为：

ω＝Jk²+D (2)

其中，ω表示频率，k表示波矢的大小，又根据爱因斯坦公式

可以知道色散关系能够表征能量关系公式(3)以及动量关系公式(4)。

由此，假设与水平夹角为β的入射波的频率和波矢分别表示为ω_i和k_i，那么与磁畴壁垂直和平行的分量分别可以表示为k_icosβ和k_isinβ；磁畴壁里面传播的自旋波(即信息载体自旋波)的频率和波矢分别为ω_b和k_b；与信息载体自旋波作用后从磁畴壁穿出的透射自旋波，当作用过程仅为汇合过程时，汇合过程产生的透射自旋波的频率和波矢分别表示为ω和k；当作用过程不仅为汇合过程同时也存在劈裂过程时，自旋波发生劈裂过程所产生的束缚在磁畴壁里面的自旋波的频率和波矢分别表示为ω₁＝ω_b和k₁＝k_b(这个过程有点类似激光的受激辐射，所以会产生一个和磁畴壁里面原来自旋波完全一致的新的自旋波)，除了汇合过程产生的透射自旋波以外又产生了另一透射自旋波，劈裂过程产生的透射自旋波的频率和波矢分别表示为ω₂和k₂，采用k_||和k_⊥分别表示劈裂过程产生透射自旋波的波矢在平行磁畴壁方向和垂直磁畴壁方向的分量，则k(k₂)＝k_||+k_⊥。

如果我们忽略磁动力学方程(LLG方程)中吉尔伯特阻尼常数α以及畴壁移动对能量的影响，我们可以认为在这个相互作用的过程中，能量是守恒的。并且，磁畴壁的存在使得动量沿着磁畴壁的方向是守恒的，而垂直磁畴壁的方向是不守恒的，我们假设垂直磁畴壁方向的动量改变量为

根据上述关系以及色散关系，即可得到汇合过程中满足的三个方程式，具体见公式(5)～(7)：

公式(5)～(7)中：采用k_||和k_⊥顺序表示透射自旋波的波矢在平行磁畴壁方向和垂直磁畴壁方向的分量。k_||和k_⊥作为透射波波矢k的两个分量，自然满足|k|²＝|k_|||²+|k_⊥|²，再根据式子公式(5)～(7)，我们可以得到一个关于|q_⊥|的方程，公式如下所示：

|q_⊥|²+2|q_⊥||k_i|cosβ+2|k_b||k_i|sinβ＝0 (8)

从公式(5)可看出，入射自旋波与磁畴壁的夹角β对透射自旋波的频率并没有本质的影响。所以为了简化分析，我们取β＝0，即此时入射自旋波与磁畴壁垂直，基于上述关系能够给出透射自旋波波矢的理论值大小。

公式(8)的两个解为q_⊥＝0或者q_⊥＝-2k_i，这里q_⊥＝0这个解所代表的就是透射自旋波，由能量守恒即公式(5)可得到透射自旋波的频率ω为入射自旋波的频率ω_i与磁畴壁里面自旋波的频率ω_b之和；同时可以得到透射自旋波的波矢k是入射自旋波的波矢k_i与磁畴壁里面自旋波的波矢k_b的矢量和。

当发生劈裂过程的时候，情况又有所不同，相互作用产生的两个自旋波，其中一个在磁畴壁内保持和原自旋波一致，另外一个则是穿过磁畴壁的透射自旋波。同理可写出劈裂过程所满足的三个方程，具体见公式(9)～(11)：

k_2||和k_2⊥作为透射波波矢k的两个分量，自然满足|k₂|²＝|k_2|||²+|k_2⊥|²，再根据式子公式(9)～(11)，我们可以得到一个关于|q_⊥|的方程，公式如下所示：

|q_⊥|²+2|q_⊥||k_i|cosβ+2|k_b|²-2|k_b||k_i|sinβ＝0 (12)

采取和汇合过程一样的分析，取β＝0，那么方程(12)有两个实数解 这里我们可以看出来劈裂过程产生的透射波是有一定条件的，这个条件就是并且由公式(9)可知：劈裂出来的两个自旋波其中一个束缚在磁畴壁内，且保持与原本存在的自旋波频率一致，波矢一致，另外一个则是透射自旋波，其频率恰好为入射自旋波的频率与磁畴壁里面自旋波的频率之差，且沿着磁畴壁方向的波矢恰好与磁畴壁里面自旋波的波矢大小相等，方向相反，而垂直磁畴壁方向的波矢则满足

根据上述理论分析，可以清楚的看出，透射自旋波与入射波之间的频率间隔就是磁畴壁里面传播的自旋波的频率。

本实施例通过仿真实验也验证了上述理论的可靠性，下面详细阐述本实施例的仿真过程：如图2所示为本发明具体实施例的结构参数以及对应的色散关系曲线，这里考虑的是一个长为1800nm，宽为1000nm的一个铁磁薄膜，其颜色范围表示的磁矩的z分量。图(a)为一个相同尺寸的单畴的薄膜，图(c)为对应的色散关系曲线，图(b)为一个中间放置磁畴壁的薄膜，图(d)为对应的色散关系曲线。根据色散关系曲线能确定在束缚态，这里取在磁畴壁里面传播的自旋波即信息载体自旋波的频率为6GHz，这个频率远低于自旋波在磁畴中传播的最低频率(20.79GHz)，因此6GHz的信息载体自旋波会束缚在磁畴壁中传播。而用于探测信息载体自旋波的入射自旋波的频率是从30GHz开始取值。

图3所示是本发明具体实施例的具体操作以及信号分析的仿真图。如图(a)所示，我们在两个长条区域加上形如sin(ωt)的外场来激发相应频率的自旋波，其中ω＝2πf。左侧区域的f＝30GHz，底部区域的f＝6GHz。图(b)是对图(a)中磁畴壁右侧的采样点进行信号分析的仿真图。图(c)和(d)是没有考虑磁畴壁的情况的仿真图，用来作一个对比。图(a)和图(c)的斜线区域代表吸收的边界条件，可以减小反射波对结果的影响。由最终结果来看，只有磁畴壁存在的时候，对透射波的信号分析才会多出其他的峰值，并且这里多出来的峰值为36GHz，满足上述汇合过程的频率关系。

图4所示是频率为30GHz的入射波来探测磁畴壁内6GHz的自旋波所得到的透射波信号的空间波矢分布的仿真图，图(a)和图(b)是对磁畴壁右边一个长宽均为730nm的正方形区域做傅立叶变换得到的，k_y和k_z分别表示波矢在y方向和z方向的分量。图(a)是透射波为30GHz信号的空间波矢的仿真图，图(b)是透射波为36GHz的信号的空间波矢的仿真图。从结果来看，30GHz的自旋波波矢为表示的是未能与磁畴壁里面的自旋波发生相互作用而透射出来的自旋波；36GHz的自旋波波矢为符合公式(5)、(6)、(7)，恰好代表了发生汇合过程而透射出来的自旋波。

图5所示的是保持磁畴壁内自旋波频率为6GHz不变，改变入射自旋波的频率所得到的透射波的信号分析的仿真图。根据前面的原理部分，我们知道劈裂过程发生的条件是如果我们代入6GHz的波矢大小|k|＝0.060，我们可以得到一个临界频率f_c＝32.5GHz，而我们仿真结果得到的临界频率为32GHz，这个误差在1.5％左右，是一个可以接受的范围，所以我们可以认为在入射波频率大于32GHz的时候，磁畴壁里面发生的相互作用多了一个劈裂的过程，且这个过程也满足之前分析得到的劈裂过程的频率关系。

图6所示是频率为34GHz的入射波来探测磁畴壁内6GHz的自旋波所得到的透射波信号的空间波矢分布的仿真图，该图的做法与图4一致。图(a)是透射波为28GHz的信号的空间波矢的仿真图，图(b)是透射波为34GHz的信号的空间波矢的仿真图，图(c)是透射波为40GHz的信号的空间波矢的仿真图。从结果来看，34GHz的自旋波波矢为代表了未能与磁畴壁里面的自旋波发生相互作用而透射出来的自旋波；40GHz的自旋波波矢为 符合公式(5)、(6)、(7)，恰好代表了发生汇合过程而透射过来的自旋波；28GHz的自旋波波矢为可以看到在平行磁畴壁的方向(这里是z轴)的分量大小为-k_b，满足公式(10)，当我们将已知条件代入公式(11)的时候，我们可以求出垂直磁畴壁方向(这里是y轴)的分量大小为0.043，这个大小看起来和仿真结果差很多，其实只相差了一个刻度，因为我们做傅立叶变换的区域为730nm，这样的话，我们的分辨率为0.009nm^-1，因此我们认为这个结果也是可信的，仿真结果与理论符合的比较好。

以上为本发明的优选实施例，通过上述说明内容，本领域技术人员能够在不偏离本发明技术思想的范围内，进行多种多样的变更以及修改。因此本发明的技术性范围并不局限于说明书的内容，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属于本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种探测自旋波信息传输频率的方法，其特征在于：在已知位置且载有待测自旋波的磁畴壁一侧激发一个入射自旋波，使得入射自旋波穿过所述磁畴壁且与待测自旋波相互作用形成透射自旋波，在磁畴壁另一侧探测透射自旋波，透射自旋波与入射自旋波之间频率的间隔即为沿磁畴壁传播的待测自旋波的频率。

2.根据权利要求1所述的一种探测自旋波信息传输频率的方法，其特征在于：在磁性材料上确定载有待测自旋波的磁畴壁的位置是利用磁力显微镜或者磁光克尔显微镜直接观测后根据所用显微镜的比例尺度对应到磁性材料相应位置。

3.根据权利要求1所述的一种探测自旋波信息传输频率的方法，其特征在于：在磁性材料上确定载有待测自旋波的磁畴壁的位置是先将铁磁粉末的胶体悬浮液涂覆在磁性材料表面，然后利用金相显微镜观测后根据所用显微镜的比例尺度对应到磁性材料相应位置。

4.根据权利要求1所述的一种探测自旋波信息传输频率的方法，其特征在于：在磁性材料上确定载有待测自旋波的磁畴壁的位置是使得电子束的一部分经过待测磁性材料而电子束另一部分不经过待测磁性材料，利用透射电子显微镜观测并将干涉条纹进行相干放大，并根据所用比例尺度对应到磁性材料相应位置。

5.根据权利要求1所述的一种探测自旋波信息传输频率的方法，其特征在于：激发入射自旋波的方式采用微波天线、超短激光脉冲或者自旋极化电流。

6.根据权利要求1所述的一种探测自旋波信息传输频率的方法，其特征在于：探测透射自旋波的方式采用微波天线或者利用逆自旋霍尔效应将自旋波转化成电信号来进行测量。