CN108492845B - 一种基于磁性斯格明子的赛道存储器 - Google Patents

一种基于磁性斯格明子的赛道存储器 Download PDF

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Abstract

一种基于磁性斯格明子的赛道存储器，属于磁性器件技术领域。包括反铁磁耦合的双轨道磁性纳米带，磁性纳米带沿其轨道方向依次分为信息写入部分、信息存储部分和信息读取部分，利用极性相反的磁性斯格明子表示二进制数0或1，磁性斯格明子沿双轨道磁性纳米带的轨道方向从信息写入部分运动到信息读取部分；磁性斯格明子周期性地在信息写入部分所在的双轨道磁性纳米带的其中一个轨道产生，产生的磁性斯格明子根据写入的数据确定是否需要改变极性，进而确定是否需要运动到双轨道磁性纳米带的另一个轨道；信息存储部分沿磁性纳米带的轨道方向分为多个存储单元，每个存储单元存储一个磁性斯格明子；信息读取部分用于读取通过其中的磁性斯格明子的极性。

Description

一种基于磁性斯格明子的赛道存储器
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性斯格明子的赛道存储器。
背景技术
传统硬盘目前仍是主流的储存手段，有耗电量高、不耐震和存在运转嘈杂等缺点。2008年IBM公司提出“赛道”存储器(磁畴壁存储器)(S.S.P.Parkin,et.al MagneticDomain-Wall Racetrack Memory)来取代传统硬盘。这种新型存储器比传统硬盘更小、更轻、具有更高的存储密度和更快的读写速度，且已经被理论和实验所证实。
赛道存储器利用磁畴中磁矩的方向作为“比特”，利用电流驱动磁畴运动，当磁畴通过写头时可以写入数据，当磁畴通过读头时可以读取数据，实现完整的信息存储功能。并且该存储结构可以做成三维，使得存储密度大幅度提升。
磁性斯格明子是一种受拓扑保护的磁结构，它相比于单畴来说更加稳定，其存在状态可以用作“比特”来记录数据，实现信息存储。利用斯格明子的有无来记录二进制数1和0(或者相反)，也可以形成类似于磁畴壁的赛道存储器(Wang Kang et.al,Skyrmion-Electronics:An Overview and Outlook)。
研究发现，电流可以产生斯格明子以及驱动斯格明子在磁性纳米带中运动(Xichao Zhang et.al,Magnetic bilayer-skyrmions without skyrmion Hall effect)。磁性隧道结(MTJ)(Jares,H et.al,Angular dependence of the tunnelmagnetoresistance in transition-metal-based junctions)可以用于读取磁斯格明子的状态。以上技术手段均已经被实验或理论所证实，将被运用于本发明之中。
发明内容
本发明提出一种基于磁性斯格明子的赛道存储器，利用极性相反的磁性斯格明子表示二进制数0或1，采用双轨道设计，实现完整的信息读、写、存储功能，极大地改善信息丢失和误读的问题，具有更高的稳定性和更大的信息存储密度。
本发明的技术方案为：
一种基于磁性斯格明子的赛道存储器，其特征在于，包括反铁磁耦合的双轨道磁性纳米带，所述双轨道磁性纳米带沿其轨道方向依次分为信息写入部分、信息存储部分和信息读取部分；
利用极性相反的磁性斯格明子表示二进制数0或1，所述磁性斯格明子在所述信息写入部分产生，随后沿所述双轨道磁性纳米带的轨道方向运动，经过所述信息存储部分后进入所述信息读取部分；
所述磁性斯格明子周期性地在所述信息写入部分所在的双轨道磁性纳米带的其中一个轨道产生，产生的磁性斯格明子根据写入的数据确定是否需要改变极性，进而确定是否需要运动到所述信息写入部分所在的双轨道磁性纳米带的另一个轨道；
所述信息存储部分沿所述磁性纳米带的轨道方向分为多个存储单元，每个所述存储单元用于存储一个比特，对应一种所述磁性斯格明子的状态；
所述信息读取部分用于读取通过其中的所述磁性斯格明子的极性，从而读取二进制数0或1。
具体的，在所述信息写入部分所在的双轨道磁性纳米带的其中一个轨道内通入电流方向垂直所述磁性纳米带表面的第一电流用于产生所述磁性斯格明子，所述第一电流为周期性的自旋极化脉冲电流，其通电装置为电极，正电极连接所述信息写入部分所在磁性纳米带的下表面，负电极连接所述信息写入部分所在磁性纳米带的上表面。
具体的，在所述磁性纳米带中通入电流方向沿所述磁性纳米带的轨道方向的第二电流用于驱动所述磁性斯格明子运动；所述第二电流为周期性的自旋极化脉冲电流，其通电装置为电极，正电极连接所述信息读取部分，负电极连接所述信息写入部分；所述第一电流与所述第二电流周期相同，相位相反。
具体的，当需要改变所述第一电流产生的磁性斯格明子的极性时，在所述信息写入部分通入电流方向平行于所述磁性纳米带表面且垂直于所述磁性纳米带的轨道方向的第三电流，使得所述磁性斯格明子从所述双轨道的磁性纳米带的一个轨道运动到另一个轨道，在通过两个轨道的反铁磁边界时实现极性翻转。
具体的，所述信息读取部分包括磁性隧道结，用于读取所述磁性斯格明子的极性。
具体的，所述双轨道磁性纳米带的磁性材料是哈斯勒型磁性形状记忆合金的马氏体相。
本发明的有益效果为：
(1)传统的基于磁性斯格明子的赛道存储器都是使用“有”和“无”磁性斯格明子来表示逻辑“1”和“0”(或者相反的方式)，因此两个磁性斯格明子之间的相互运动会产生误读或者信息丢失，而在现有的试验条件下保持所有的斯格明子同步运动实现条件十分苛刻。本发明用磁性斯格明子不同的极性来表示二进制数0和1，这种表示方法不要求所有的磁性斯格明子保持同步运动，极大地改善误读和信息丢失问题。
(2)相比于传统的磁畴类型的赛道存储器，本发明提出的斯格明子类型的赛道存储器具有更高的稳定性和更大的信息存储密度。
(3)本发明的赛道存储器具有很高的读写速度，当电流密度为1013A/m2时，其理论速度约为4.8Gb/s。
附图说明
图1为实施例中的基于磁性斯格明子的双轨带纳米带赛道存储器。
图2为磁性隧道结读取极性不同的磁性斯格明子的示意图，图2a：通过的磁性斯格明子极性为+1时，隧道磁阻小，为低阻态；图2b：通过的磁性斯格明子极性为-1时，隧道磁阻大，为高阻态。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例详细描述本发明。
本发明提供的基于磁性斯格明子的赛道存储器，包括反铁磁耦合的双轨道磁性纳米带，双轨道磁性纳米带可以是设置在基底上的磁性薄膜，一些实施例中尺寸为200nm*1800nm*1nm，磁性材料是哈斯勒型(Heusler-type)磁性形状记忆合金的马氏体相。
双轨道磁性纳米带在沿着其轨道方向依次被分为信息写入部分、信息存储部分和信息读取部分，利用极性相反的磁性斯格明子表示二进制数0或1，磁性斯格明子在信息写入部分产生，然后通过信息存储部分后被信息读取部分读取。
磁性斯格明子可以周期性地在信息写入部分所在的双轨道磁性纳米带的其中一个轨道产生，如图1所示，一些实施例中，双轨道磁性纳米带的两个轨道反铁磁耦合，一个轨道的磁矩方向垂直磁性纳米带表面向上，另一个轨道的磁矩方向垂直磁性纳米带表面向下，在磁矩方向垂直磁性纳米带表面向上的轨道内通入第一电流jc，第一电流jc的电子流方向垂直磁性纳米带表面向下，第一电流jc为周期性的自旋极化脉冲电流，可以周期性的在流过第一电流jc的轨道区域产生磁性斯格明子，定义此时产生的磁性斯格明子表示二进制数0。每个刚产生的磁性斯格明子需要根据写入的数据类型判断是否需要改变极性，当需要写入的数据是0时不需要改变磁性斯格明子的极性，当需要写入的数据是1时需要通入第三电流jw改变磁性斯格明子的极性。第三电流jw的电子流方向为平行于磁性纳米带表面且垂直于磁性纳米带的轨道方向，通入第三电流jw后，磁性斯格明子会从原本的轨道运动到与原本的轨道反铁磁耦合的另一个轨道，在穿过反铁磁边界时实现极性的翻转。
一些实施例中，磁性斯格明子由第二电流jd驱动沿着磁性纳米带的轨道方向运动，其电流密度大于驱动斯格明子运动的临界电流，电流密度越大，斯格明子的运动速度快，电流jd的周期减小，写入和读取效率增加。第二电流jd为周期性的自旋极化脉冲电流，其通电装置为电极，正电极连接信息读取部分，负电极连接信息写入部分；第一电流jc与第二电流jd周期相同，相位相反。
一些实施例中可以把信息写入部分分为两个单元，第一个单元内通入第一电流jc产生磁性斯格明子，随后在第二电流jd的驱动下运动到第二单元，在第二单元内根据是否需要翻转极确定是否通入第三电流jw。
在信息写入部分产生并确定极性的磁性斯格明子随后进入信息存储部分，信息存储部分可以沿着磁性纳米带的轨道方向分为若干个存储单元，每个存储单元可以存储一个磁性斯格明子的状态，即一个比特。
通过信息存储部分的磁性斯格明子进入信息读取部分，由信息读取部分读取通过其中的磁性斯格明子的极性，从而读取二进制数0或1。一些实施例中信息读取部分利用磁性隧道结读取磁性斯格明子的磁性，这是利用了极性相反的斯格明子具有不同的隧道磁阻，极性为+1的斯格明子磁阻小，极性为-1的斯格明子磁阻大的原理。
下面以存储数据为“110010”为例详细描述本发明的工作过程。
第一个周期内，利用第一电流在信息写入部分所在的双轨道磁性纳米带的其中一个轨道内产生一个磁性斯格明子，定义此时的磁性斯格明子表示二进制数0，由于第一个数字需要写入1，所以此时通入第三电流jw，本实施例中通入1ns的第三电流jw(1012A/m2)，使得该磁性斯格明子从原本的轨道运动到与其反铁磁耦合的另一个轨道，在穿过两个轨道的反铁磁边界时磁性斯格明子的极性翻转，由于本发明定义极性相反的磁性斯格明子来表示二进制数0或1，所以此时的磁性斯格明子表示二进制数1。
由于第一电流jc和第二电流jd周期相同，相位相反，当第一电流jc为高产生磁性斯格明子时，第二电流jd为低不驱动磁性斯格明子沿磁性纳米带的轨道方向运动，当第一电流jc为低时第二电流jd为高，驱动磁性斯格明子沿轨道方向向信息存储部分运动，本实施例中电流密度jd为(1012A/m2)时，斯格明子沿轨道运动速度约为100m/s。
第二个周期内，此时第一个周期内产生的磁性斯格明子已经运动到了信息存储部分的第一个存储单元，因为本实施例中需要存储的数据为6位，信息存储部分可以设置6个存储单元。第二个周期内产生的磁性斯格明子由于需要表示二进制数1，所以也需要通入第三电流jw改变极性，改变极性之后的磁性斯格明子由第二电流jd驱动运动到信息存储部分的第一个存储单元，而原本在第一个信息单元的磁性斯格明子已经由第二电流驱动到了第二个存储单元。
第三个周期内，由于要写入的二进制数为0，所以本周期内不需要通入第三电流jw，其余部分与前两个周期相同。
第六个周期完成之后，6个存储单元内的磁性斯格明子的极性依次为+1、+1、-1、-1、+1、-1，即存储的数据为“110010”。
需要读取数据时，利用信息读取部分内的磁性隧道结检测磁性纳米带中的斯格明子状态，极性为+1的斯格明子隧道磁阻小，极性为-1的斯格明子隧道磁阻大，即可读取双轨带磁性纳米带中所存储的信息。
一些实施例中，当电流密度为1013A/m2时，磁性斯格明子的运动速度约为1000m/s，脉冲电流的半个周期为T1/2＝100nm/(1000m/s)＝0.1ns,即写入一个比特的数据需要0.2ns，每秒写入数据为5×109bit，即其理论速度约为4.7Gb/s，可以看出与现有技术中的赛道存储器相比，本发明具有很高的读写速度。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于磁性斯格明子的赛道存储器，其特征在于，包括反铁磁耦合的双轨道磁性纳米带，所述双轨道磁性纳米带沿其轨道方向依次分为信息写入部分、信息存储部分和信息读取部分；
利用极性相反的磁性斯格明子表示二进制数0或1，所述磁性斯格明子在所述信息写入部分产生，随后沿所述双轨道磁性纳米带的轨道方向运动，经过所述信息存储部分后进入所述信息读取部分；
所述磁性斯格明子周期性地在所述信息写入部分所在的双轨道磁性纳米带的其中一个轨道产生，产生的磁性斯格明子根据写入的数据确定是否需要改变极性，进而确定是否需要运动到所述信息写入部分所在的双轨道磁性纳米带的另一个轨道；
所述信息存储部分沿所述磁性纳米带的轨道方向分为多个存储单元，每个所述存储单元用于存储一个比特，对应一种所述磁性斯格明子的状态；
所述信息读取部分用于读取通过其中的所述磁性斯格明子的极性，从而读取二进制数0或1。
2.根据权利要求1所述的基于磁性斯格明子的赛道存储器，其特征在于，在所述信息写入部分所在的双轨道磁性纳米带的其中一个轨道内通入电流方向垂直所述磁性纳米带表面的第一电流用于产生所述磁性斯格明子，所述第一电流为周期性的自旋极化脉冲电流，其通电装置为电极，正电极连接所述信息写入部分所在磁性纳米带的下表面，负电极连接所述信息写入部分所在磁性纳米带的上表面。
3.根据权利要求2所述的基于磁性斯格明子的赛道存储器，其特征在于，在所述磁性纳米带中通入电流方向沿所述磁性纳米带的轨道方向的第二电流用于驱动所述磁性斯格明子运动；所述第二电流为周期性的自旋极化脉冲电流，其通电装置为电极，正电极连接所述信息读取部分，负电极连接所述信息写入部分；所述第一电流与所述第二电流周期相同，相位相反。
4.根据权利要求2或3所述的基于磁性斯格明子的赛道存储器，其特征在于，当需要改变所述第一电流产生的磁性斯格明子的极性时，在所述信息写入部分通入电流方向平行于所述磁性纳米带表面且垂直于所述磁性纳米带的轨道方向的第三电流，使得所述磁性斯格明子从所述双轨道的磁性纳米带的一个轨道运动到另一个轨道，在通过两个轨道的反铁磁边界时实现极性翻转。
5.根据权利要求1所述的基于磁性斯格明子的赛道存储器，其特征在于，所述信息读取部分包括磁性隧道结，用于读取所述磁性斯格明子的极性。
6.根据权利要求1所述的基于磁性斯格明子的赛道存储器，其特征在于，所述双轨道磁性纳米带的磁性材料是哈斯勒型磁性形状记忆合金的马氏体相。
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