CN109962706A - 一种基于布洛赫型畴壁的自旋波逻辑器件 - Google Patents

Abstract

一种基于布洛赫型畴壁的自旋波逻辑器件，属于磁振子器件技术领域。该自旋波逻辑器件包括弯曲畴壁波导、激发自旋波的微带天线和接收天线；所述弯曲畴壁波导包括硬磁层和位于硬磁层之上的软磁层，所述激发自旋波的微带天线与弯曲畴壁波导的两端固定连接，所述接收天线位于弯曲畴壁波导对称轴上、且与弯曲畴壁波导的软磁层固定连接。本发明提供的一种自旋波逻辑器件，自旋波传输是基于布洛赫型畴壁波导，硬磁层通过交换耦合作用对软磁层有效场分布产生影响，使其形成纳米尺度的布洛赫型畴壁。因此，自旋波传输时无需外场能量输入，大大降低了系统的能耗，同时增强了自旋波的抗干扰性。

Description

一种基于布洛赫型畴壁的自旋波逻辑器件

技术领域

本发明属于磁振子器件技术领域，具体涉及一种通过磁场调控的基于布洛赫型畴壁的自旋波逻辑器件。

背景技术

传统COMS器件都是通过载流子来进行信息的传输和处理，但随着器件的小型化，它们的性能已经接近物理极限，因为在高频、低尺度环境下，其制造技术、生产成本以及运行时高功耗都限制了其未来的发展。因此，发展新型的超CMOS器件即“非电荷型器件”将是未来集成电路发展的必经之路。作为一种替代方法，磁振子器件的发展拥有巨大的潜力和优势。磁振子是自旋波的量子态，它是由有序磁性材料的共振激发而产生的，它能够应用于信号传输和信息处理，信息可以被编码到磁振子相位或者密度中，因为磁振子具有波的所有特征，因此可通过波具有的特征来进行数据处理，如波的干涉性。磁振子器件最大的优势是低能耗，因为磁振子的传输几乎不产生焦耳热；另外，在千兆赫兹到太赫兹频率范围内，它的波长比电磁波小几个量级，更有利于器件的小型化。磁振子晶体是制造磁振子器件的主要载体，其特性和设计直接关系到器件的整体性能，因此研究低功耗、小尺寸、可重构的磁振子晶体成为当前的热点。

目前，各类磁振子晶体已被广泛的研究，如微磁条阵列型、点阵型、反点阵型、刻蚀槽型、内部磁场周期变化型、离子注入饱和磁化强度型。但是，这些关于磁振子晶体的研究都是需要持续地施加外场，从而造成额外的能量损耗，无法体现磁振子器件低能耗的特点。而且，制造纳米尺度的磁振子器件的主要挑战是如何精确地制造具有纳米结构的磁振子波导，同时能够在纳米尺度对结构进行可控的修改。因此，涉及到光刻和纳米编制工艺的问题，如边界粗糙或设备尺寸维度的变化，在设计尺寸低于100纳米情况下都可能对器件自旋波传输性能产生消极的影响。最近，一种基于单个磁畴壁传输自旋波的设计模式能够克服这些主要的缺陷，作为一种可重构的不用外加磁场的波导。但是这种波导主要是基于奈尔型畴壁的结构，其传输的自旋波具有非互易性，也就是在同样的激发频率下，自旋波沿畴壁的正反两个方向传输具有不同的振幅、速度，这使得它很难应用到磁振子系统中，制作出具有逻辑功能的器件。另外，其自旋波传输速度较低，很难设计出具有高传输速率功能的器件。

发明内容

本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出一种磁场调控的、具有互易性的、基于布洛赫型畴壁的纳米尺度自旋波逻辑器件。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于布洛赫型畴壁的自旋波逻辑器件，如图3所示，包括弯曲畴壁波导3、激发自旋波的微带天线1和接收天线2；所述弯曲畴壁波导包括硬磁层和位于硬磁层之上的软磁层，所述激发自旋波的微带天线与弯曲畴壁波导的两端固定连接，所述接收天线位于弯曲畴壁波导对称轴上、且与弯曲畴壁波导的软磁层固定连接；

所述软磁层上外磁场分界线的一边施加垂直软磁层薄膜向上的外磁场，另一边施加垂直软磁层薄膜向下的外磁场，即可在弯曲畴壁波导上产生布洛赫型畴壁。

进一步地，所述弯曲畴壁波导为半圆弧形。

进一步地，所述软磁层上外磁场分界线将弯曲畴壁波导分为完全相同的两部分。

进一步地，所述软磁层为坡莫合金(Permalloy)等；所述硬磁层为Co/Pd合金等。

进一步地，所述弯曲畴壁波导3上产生的布洛赫型畴壁中，磁矩的磁化方向与弯曲波导的切线方向一致。

进一步地，所述激发自旋波的微带天线1为矩形微带贴片天线，线宽为2nm。

进一步地，所述接收天线2为矩形微带贴片天线，线宽为2nm。

一种基于布洛赫型畴壁的自旋波逻辑器件的实现方法，具体包括以下步骤：

步骤1、初始化：软磁层上外磁场分界线的一边施加垂直软磁层薄膜向上的外磁场，另一边施加垂直软磁层薄膜向下的外磁场，即可在弯曲畴壁波导上产生布洛赫型畴壁；

步骤2、在弯曲畴壁波导的第一磁场调制区域和第二磁场调制区域施加相同大小和方向的磁场时，接收天线处输出高平信号；

步骤3、在弯曲畴壁波导的第一磁场调制区域施加磁场，第二磁场调制区域不施加磁场时，接收天线处输出低平信号；

步骤4、在弯曲畴壁波导的第二磁场调制区域施加磁场，第一磁场调制区域不施加磁场时，接收天线处输出低平信号；

步骤5、在弯曲畴壁波导的第一磁场调制区域和第二磁场调制区域均不施加外磁场时，接收天线处输出高平信号。

进一步地，所述第一磁场调制区域和第二磁场调制区域均为矩形，长为半圆弧形的弯曲畴壁波导的半径，宽为弯曲畴壁波导的宽度。

相比现有自旋波逻辑器件，本发明的有益效果为：

1、本发明提供的一种自旋波逻辑器件，自旋波传输是基于布洛赫型畴壁波导，硬磁层通过交换耦合作用对软磁层有效场分布产生影响，使其形成纳米尺度的布洛赫型畴壁。因此，自旋波传输时无需外场能量输入，大大降低了系统的能耗，同时增强了自旋波的抗干扰性。

2、本发明提供了一种基于布洛赫型畴壁的自旋波逻辑器件，该逻辑器件是通过磁场对输出进行调控的，操作性强，容易实现，且调控所需的偏置磁场较小。

3、本发明提供了一种自旋波逻辑器件，利用纳米尺度的畴壁作为自旋波传输波导，易于实现器件的小型化，并且受制造工艺影响较小，为小型化器件的设计提供了新的思路。

4、本发明自旋波逻辑器件中，自旋波群速度较其他畴壁型器件中的群速度高，且传输自旋波的带宽也较宽，能广泛满足各类器件设计的要求。

5、本发明提供的一种自旋波逻辑器件，自旋波传输具有非互易性，沿畴壁正反传输的自旋波能相互干涉，并且自旋波能够在弯曲的畴壁通道内进行较长距离的传输，为设计全磁振子系统提供了可能。

附图说明

图1为本发明的波导结构示意图；其中，2为接收天线，4为磁场分界线，5为硬磁层，6为软磁层；

图2为图1波导的仿真结果；其中，(a)自旋波在畴壁中传播的示意图，(b)为不同时间自旋波同一波峰在畴壁中的不同位置；

图3为本发明提供的一种基于布洛赫型畴壁的自旋波逻辑器件的结构示意图；其中，1为激发自旋波的微带天线，2为接收天线，3为弯曲畴壁波导；

图4为本发明提供的一种基于布洛赫型畴壁的自旋波逻辑器件分别处于4种工作状态的示意图；

图5为本发明提供的一种基于布洛赫型畴壁的自旋波逻辑器件中，自旋波沿圆弧形波导传输的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种基于布洛赫型畴壁的自旋波逻辑器件的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

本发明提供的一种基于布洛赫型畴壁的自旋波逻辑器件，是基于交换耦合作用、有效场等原理实现利用磁场调控自旋波逻辑器件的输出信号。在逻辑器件工作时，只需通过磁场即可实现输出信号的调控。其波导结构如附图1所示，包括硬磁层，位于硬磁层之上的软磁层，激发自旋波的微带天线和磁场分界线。本发明提供的自旋波逻辑器件的软磁层为坡莫合金(Permalloy)等；所述硬磁层需具有较高的垂直各向异性常数，旨在通过交换作用使软磁层形成布洛赫型畴壁结构，为Co/Pd合金等。

本发明提供的自旋波波导需通过三个阶段使其获得稳定的布洛赫型畴壁的磁结构，即畴壁内磁矩的磁化方向平行于畴壁的长度方向。如附图1所示，首先，将波导沿磁场分界线对称的分为左右两部分；其次，分别对左右两部分施加垂直薄膜表面向上和垂直薄膜表面向下的外磁场H_ext，该外场的大小为1T并按时间指数衰减；最后，在无外场的条件下得到稳定的磁结构。为了使系统的自由能最小，该稳态磁结构将形成布洛赫型畴壁，从而为设计纳米尺度局域自旋波传输波导提供了可能。

本发明利用硬磁层和软磁层间的交换耦合作用，使软磁层上形成一种布洛赫型的畴壁，从而既避免了硬磁层大阻尼系数对自旋波传输距离的影响，又使低阻尼的软磁层具有了布洛赫型畴壁的结构。该波导畴壁自旋波传输功能的实现原理为：畴壁内x方向的局部有效场发生非均匀变化，在畴壁中央形成势阱；而自旋波的传输与波导内部有效场有密切的联系，该势阱将有利于自旋进动，也就是自旋波的传输，从而能将特定激发频率的自旋波限制在畴壁中进行传输。25GHz频率下激发的自旋波在波导上传输的仿真结果如附图2所示，可以清楚地发现自旋波被有效地限制在通道内传输，并且具有较长的传输距离，自旋波的传输通道的半峰宽约为18.2nm，这个纳米尺度的通道比任何现有研究的畴壁通道都要窄。根据同一波峰分别在t＝100ps、t＝200ps和t＝300ps时刻的不同空间位置，可以计算出25GHz自旋波的群速度约为1.72km/s，这个速度也是高于奈尔型畴壁波导的自旋波传输速度。而传输速度决定了计算速度，因此，高自旋波传输速度将提高本发明的自旋波器件的市场竞争力。

一种基于布洛赫型畴壁的自旋波逻辑器件，如图3所示，包括弯曲畴壁波导3、激发自旋波的微带天线1和接收天线2；弯曲波导的最终稳态结构也如上述波导一样，形成弯曲的布洛赫型畴壁，并且畴壁中磁矩的磁化方向与圆弧波导的切线方向一致。

本发明自旋波逻辑器件的具体工作过程如附图4所示：黑色方框中的箭头代表偏置场H_bias的方向，它的大小为0.3T，当方框区域有箭头，代表施加调制偏置场，输入信号为1；当方框中没有箭头，代表未施加调制偏置场，输入信号为0。图5为0-0输入模式下，自旋波沿圆弧形畴壁传输的示意图，和条形波导的仿真结果一样，自旋波被有效地限制在畴壁中进行传输，并能实现沿曲线的路径进行传输，最后在输出端进行干涉作用。采集到的输出信号如图6所示，可以发现当两个输入区域的输入信号同时为0或者同时为1时，其探测区域采集到的输出信号的幅值都较大，即两侧的自旋波在输出端相位相同，输出增益信号，代表输出为1；当两个输入区域的输入信号不相同，其探测区域采集到的输出信号的幅值就相对较小，即两侧的自旋波在输出端相位不同，输出衰减信号，代表输出为0。因此，该自旋波逻辑器件实现了同或门(XNOR)的逻辑功能。

本发明的自旋波逻辑器件能够实现同或门逻辑功能，是基于以下原理：首先，该畴壁是布洛赫型畴壁，其传输的自旋波为后向体波，畴壁中传输的自旋波具有互易性，即自旋波的幅值频率与沿畴壁传输的正反方向无关，所以弯曲畴壁中相向传输的自旋波具有相同的特性，能够相互干涉。此外，畴壁中自旋波的传输特性依赖于内部有效场的分布，当外部施加足够的磁场会改变畴壁内有效场的分布和大小，自旋波的相位也会因此发生改变，所以在输入区域施加磁场会改变自旋波在畴壁中传输的相位，从而使具有相同相位的1-1和0-0输入模式的输出信号幅值相增益，而非相同相位的1-0和0-1输入模式的输出信号幅值相减弱。

实施例

实施例中，条形波导硬磁层和软磁层尺寸为：长L＝1μm，宽w＝200nm，厚度t＝2nm；圆弧形弯曲波导的内径外径厚度t＝2nm。用磁头对分界线两边的区域分别施加垂直薄膜表面向上和垂直薄膜表面向下的外磁场H_ext，该外场的大小为1T并按时间指数衰减，最终使波导获得稳定的布洛赫型畴壁结构。随后，图3中微带天线位置施加25GHz的正弦微磁信号，方向垂直于软磁层薄膜表面，振幅为0.1T。如图4中，以方框区域施加偏置磁场代表输入信号1，不加偏置场代表输入信号0，产生0-0、1-0、0-1和1-1四种输入组合，最终在输出端探测到的输出信号如图6所示，0-0和1-1组合输出高振幅波形，代表输出为1，1-0和0-1组合输出低振幅波形，代表输出为0。因此，根据图6中的真值表，表明该实施例实现了同或门的逻辑功能。

基于上述实例，本发明公开了一种磁场调控的基于布洛赫型畴壁的自旋波逻辑器件，可实现同或门(XNOR)的功能，提供了一种新型的自旋波逻辑器件及电路的构造、设计方式。

本实施例采用的微磁学仿真实验选用的参数如下：

软磁材料为坡莫合金(Ni₉₁Fe₁₉)，其饱和磁化强度Ms＝8.3×10⁵A/m，各向异性常数k＝0J/m³，交换常数A＝13pJ/m，阻尼系数α＝0.005。硬磁材料为合金(Co/Pd)，其饱和磁化强度Ms＝3.7×10⁵A/m，各向异性常数k＝6.3×10⁵J/m³，交换常数A＝6pJ/m，阻尼系数α＝0.2。

Claims (5)

1.一种基于布洛赫型畴壁的自旋波逻辑器件，包括弯曲畴壁波导(3)、激发天线(1)和接收天线(2)；所述弯曲畴壁波导包括硬磁层和位于硬磁层之上的软磁层，所述激发天线与弯曲畴壁波导的两端固定连接，所述接收天线位于弯曲畴壁波导对称轴上、且与弯曲畴壁波导的软磁层固定连接；

所述软磁层上外磁场分界线的一边施加垂直软磁层薄膜向上的外磁场，另一边施加垂直软磁层薄膜向下的外磁场，即可在弯曲畴壁波导上产生布洛赫型畴壁。

2.根据权利要求1所述的基于布洛赫型畴壁的自旋波逻辑器件，其特征在于，所述弯曲畴壁波导为半圆弧形。

3.根据权利要求1所述的基于布洛赫型畴壁的自旋波逻辑器件，其特征在于，所述软磁层为坡莫合金，所述硬磁层为Co/Pd合金。

4.根据权利要求1所述的基于布洛赫型畴壁的自旋波逻辑器件，其特征在于，所述激发天线和接收天线为矩形微带贴片天线。

5.一种基于布洛赫型畴壁的自旋波逻辑器件的实现方法，包括以下步骤：

步骤1、初始化：软磁层上外磁场分界线的一边施加垂直软磁层薄膜向上的外磁场，另一边施加垂直软磁层薄膜向下的外磁场，即可在弯曲畴壁波导上产生布洛赫型畴壁；

步骤2、在弯曲畴壁波导的第一磁场调制区域和第二磁场调制区域施加相同大小和方向的磁场时，接收天线处输出高平信号；

步骤3、在弯曲畴壁波导的第一磁场调制区域施加磁场，第二磁场调制区域不施加磁场时，接收天线处输出低平信号；

步骤4、在弯曲畴壁波导的第二磁场调制区域施加磁场，第一磁场调制区域不施加磁场时，接收天线处输出低平信号；

步骤5、在弯曲畴壁波导的第一磁场调制区域和第二磁场调制区域均不施加外磁场时，接收天线处输出高平信号。