CN110098451B

CN110098451B - 一种基于极化电流调控的自旋波移相器

Info

Publication number: CN110098451B
Application number: CN201910329401.4A
Authority: CN
Inventors: 钟智勇; 张子康; 刘爽; 文天龙; 廖宇龙; 金立川; 唐晓莉; 张怀武
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2019-04-23
Filing date: 2019-04-23
Publication date: 2021-09-24
Anticipated expiration: 2039-04-23
Also published as: CN110098451A

Abstract

一种基于极化电流调控的自旋波移相器，属于磁振子器件技术领域。所述自旋波移相器包括自旋波波导4、位于自旋波波导上方的铁磁层1、位于铁磁层1之上的重金属层2、以及与重金属层两端相连用于通入电流的两个电极3，其中，所述自旋波波导4与铁磁层1之间存在间隔，所述铁磁层的长边与自旋波波导的传输方向垂直，所述铁磁层为非对称结构，以产生形状各向异性。本发明基于极化电流调控的自旋波移相器是通过SOT效应实现调控的，所需电流强度较小；与现有极化电流调控铁磁材料的翻转相比，本发明的铁磁层弛豫结果依赖于自身的形状各向异性，仅需通入短暂的电流脉冲即可实现，效率和能耗均更具优势。

Description

一种基于极化电流调控的自旋波移相器

技术领域

本发明属于磁振子器件技术领域，具体涉及一种基于极化电流调控的附着式自旋波移相器。

背景技术

传统CMOS器件的发展面临着技术与成本的双重压力，从长远看，由于传统电荷型器件在高频、低尺度环境下的发展受到固有条件的限制，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。在众多的“beyond CMOS”器件中，自旋电子器件便是强有力的竞争者之一。

自旋是电子等亚原子粒子的一种内禀属性，属量子力学范畴。由于电子间的自旋相互作用远小于电子电荷间的相互作用，使得改变电子自旋取向相比改变电子电荷运动状态来说要简单的多，此外研究表明，自旋相互作用产生的自旋集体进动，即自旋波(SpinWaves)，可以应用于信息的输运和处理。自旋波的发现与研究恰好契合了逻辑器件的发展条件与要求，结合了磁振子的特性的自旋波逻辑器件具有低功耗、小尺寸、应用频段宽、逻辑操作简易、具有非易失性等诸多优势。

随着自旋波逻辑器件的不断发展，相位型逻辑逐渐成为磁振子器件设计的主流，对于自旋波信号相位的调控变得尤为重要，因此，稳定、可调控的自旋波移相器的设计也成为当下研究的重点。现有自旋波移相器依据自旋波相移的影响方式可归为两类：基于微磁结构的设计以及基于外场调控的设计。可调控自旋波移相器主要面临两大难点，一是实现调控方式的简易性，二是实现移相的准确性和高效性。目前，基于外场调控的移相器存在着能耗较大、外磁场依赖等问题，同时其自旋波信号衰减与移相精确度仍有待进一步提高。基于微磁结构的移相器则因对于微磁结构精确控制的难度较大，缺少简易高效的调控手段，例如常见的磁畴壁结构的驱动就存在着能耗过大，位置难以准确控制的问题。Y.Au等人的文章《Nanoscale spin wave valve and phase shifter》(《纳米尺度下的自旋阀与自旋波移相器》)提出了一种谐振体式的自旋波移相器方案，具有移相精确度高且损耗低的特点，但不足之处在于其无法实现人为调控，使得该移相器的适用范围较窄，难以实用。若能够实现对于微磁结构的高效调控，并将其应用于自旋波移相器的设计，则能够兼具移相的高效性与稳定性，还可以实现非易失性的调控目的。

发明内容

本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出一种极化电流调控的、具有非易失性的附着式自旋波移相器。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于极化电流调控的自旋波移相器，如图1所示，包括自旋波波导4、位于自旋波波导上方的铁磁层1、位于铁磁层1之上的重金属层2、以及与重金属层两端相连用于通入电流的两个电极3，其中，所述自旋波波导4与铁磁层1之间存在间隔，所述铁磁层的长边与自旋波波导的传输方向垂直，所述铁磁层为非对称结构，以产生形状各向异性。

进一步地，所述铁磁层1的两个对角做圆弧截角、直线截角或弧线截角等处理，以得到非对称结构。

进一步地，所述铁磁层1为长条形，为确保弛豫状态的稳定性，其长宽比应介于(2～4)：1。

进一步地，所述铁磁层1的长度与自旋波波导4宽度的比值为(2～4):1。

进一步地，所述铁磁层1的厚度为0.1～10nm。

进一步地，所述自旋波波导4为矩形波导等。

进一步地，所述自旋波波导与铁磁层之间的间隔为1～5nm。

进一步地，本发明自旋波移相器对电极材料无特殊要求，所述电极3包括但不限于金(Au)、铂(Pt)、铜(Cu)、铝(Al)等；所述重金属层2需具有较高的自旋霍尔角，旨在提供较好的自旋极化效率，可选自但不限于Pt、Ta、W等材料；所述铁磁层1与自旋波波导4为铁磁材料，可选自但不限于坡莫合金(Permalloy)、钴铁硼(CoFeB)、钇铁石榴石(YIG)等材料。

本发明提供的一种基于极化电流调控的自旋波移相器中，作为谐振体的铁磁层1为非完全对称结构，如附图2所示，铁磁层对角线上的两个角进行了圆弧处理，处理形状不限于圆弧，只需破坏其对称性使其具有形状各向异性即可，如直线截角、弧线截角等。

本发明提供的一种基于极化电流调控的自旋波移相器，其工作原理示例为：由电极沿+y方向通入一定强度的电流持续一段时间(250皮秒)后撤除，电流通过重金属层时由于自旋霍尔效应将产生自旋极化电流，并在与铁磁层边界处渗透注入铁磁层，使铁磁层磁化状态改变，其磁化方向沿自旋极化电流的极化方向(+x方向)。随后铁磁层经过充分弛豫(约20纳秒)，铁磁层磁化状态在形状各向异性作用(由于对称性被破坏)下沿+y方向弛豫至稳定，该磁化状态在电流撤除后仍然保持稳定。同理，当沿-y方向通入电流时，铁磁层磁化状态首先转变为-x方向，并最终弛豫至-y方向。即本发明公开了一种利用电流调控铁磁层磁化状态的方法，且此种调控方式具有非易失性。

本发明提供的一种基于极化电流调控的自旋波移相器中，铁磁层对于其下方的自旋波波导可视为一个谐振体，此谐振体产生的偶极杂散场在邻近区域内其强度对于自旋波来说不可忽略。当自旋波传播至谐振体下方处波导位置时，波导平面上的磁振子的一致进动将导致谐振体产生的偶极杂散场进行转动，同时自旋波会受到谐振体共振激发的反作用，两种效应的协同作用对入射自旋波的幅值与相位将造成影响。这种影响与铁磁层的磁化状态密切相关，且这种影响对于自旋波是非互易的。当自旋波沿-x方向传播时，铁磁层与波导在适当的间隔(1～5nm)距离下，+y磁化状态的铁磁层对特征频率的自旋波可相移180°，而-y磁化状态的谐振体则对特征频率的自旋波的相位、强度几乎没有影响。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提供的一种基于极化电流调控的自旋波移相器，移相机制来源于偶极耦合、共振效应、自旋霍尔效应的协同作用，工作时无需额外能量输入，大大降低了工作能耗，同时，对于自旋波信号的干扰、衰减影响较小。

2、本发明基于极化电流调控的自旋波移相器是通过SOT(自旋轨道矩)效应实现调控的，所需电流强度较小；与现有极化电流调控铁磁材料的翻转相比，本发明的铁磁层弛豫结果依赖于自身的形状各向异性，仅需通入短暂的电流脉冲即可实现，效率和能耗均更具优势。

3、本发明提供的一种基于极化电流调控的自旋波移相器中，利用铁磁层的特性实现移相功能，相对于电流、电场直接作用于自旋波传输环境的移相器来说，本发明的移相稳定性与精确度要更优。

4、本发明提供的一种基于极化电流调控的自旋波移相器中，调控方式具有非易失性，可应用于编程器件。

5、本发明提供的一种基于极化电流调控的自旋波移相器，为附着式设计，结构简单，制备工艺成熟，有利于器件的小型化。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于极化电流调控的自旋波移相器的结构示意图；其中，1为铁磁层，2为重金属层，3为电极，4为自旋波波导；

图2为本发明实施例提供的自旋波移相器的参数示意图；

图3为本发明实施例1提供的自旋波移相器中，铁磁层的磁化状态为+y(a)和-y(b)时的示意图；

图4为本发明实施例1提供的自旋波移相器的仿真结果；其中，(a)为没有自旋波移相器情况的波导的波形图，(b)为移相器处于非移相模式下的波导的波形图，(c)为移相器处于移相模式下的波导的波形图；

图5为本发明实施例2提供的自旋波移相器的仿真结果；其中，(a)为没有自旋波移相器情况的波导的波形图，(b)为移相器处于非移相模式下的波导的波形图，(c)为移相器处于移相模式下的波导的波形图；

图6(a)表示铁磁层处于+y方向的初始磁化状态，(b)为通入极化电流后的磁化状态，(c)为弛豫一定时间至稳定状态后的磁化状态。

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的技术方案，但本发明并不仅限于此。

一种基于极化电流调控的自旋波移相器，如图1所示，包括自旋波波导4、位于自旋波波导上方的铁磁层1、位于铁磁层1之上的重金属层2、以及与重金属层两端相连用于通入电流的两个电极3，其中，所述自旋波波导4与铁磁层1之间有间隔，所述铁磁层的长边与自旋波波导的传输方向垂直，所述铁磁层为非对称结构，以产生形状各向异性。

本发明提供的一种基于极化电流调控的自旋波移相器中，作为谐振体的铁磁层1为非完全对称结构，如附图2所示，铁磁层对角线上两角进行了圆弧处理，处理形状不限于圆弧结构，只需破坏其对称性使其具有形状各向异性即可，如直线截角、弧线截角等。

下面就本发明所涉及到的原理进行阐述：

形状磁各向异性是反映沿磁体不同方向磁化与磁体的几何形状有关的特性。取向一致的磁矩，会在磁体表面产生磁极，从而形成退磁能，退磁能的强弱取决于磁体的几何形状。通常来说，薄膜、微带线等都具有较强的形状各向异性。本发明中对铁磁层两对称角进行圆弧处理，破坏了原有对称结构，铁磁层沿短轴方向磁化时，两非圆弧尖端区域会存在较强的退磁场，在形状各向异性能及交换能的作用下，铁磁层的最终弛豫状态会沿长轴方向(+y方向或-y方向)，具体朝向取决于极化电流调控的磁化状态方向(+x或-x方向)。

自旋波波导上方的铁磁层所产生的偶极杂散场，对于其下方的波导表面的磁化状态会产生影响，并可近似由卡尔奎斯特方程(Karlqvist equation)表征。

其中H_x和H_z分别表示该点处x和z方向的磁化分量，W表示上方铁磁层的宽度，H₀表示铁磁层产生的偶极杂散场的等效场强度，x和z分别表示该点距离铁磁层中心的水平和垂直方向上的距离。由上述两表达式可知，H_x在铁磁层两侧的磁化方向未改变，但在铁磁层正下方处强度最高；H_z在铁磁层两侧的磁化方向相反，呈对称结构。当此偶极杂散场旋转时，H_z分量结合旋转的手型特征会影响自旋波在该处色散关系的对称性。

本发明提供的一种基于极化电流调控的自旋波移相器，当波导中自旋波传输至铁磁层下方时，自旋波的一致进动将使铁磁层产生共振激发，同时共振激发反作用于自旋波，其具体表现为铁磁层外部的杂散场将沿其表面旋转，自旋波的传输受到共振效应的吸收。在合适的频率及磁化状态下，这种共振效应将主要改变自旋波的相位而对自旋波的振幅强度影响较小，以此来实现自旋波移相器的功能。

本发明提供的一种基于极化电流调控的自旋波移相器，是基于偶极耦合、共振效应、自旋霍尔效应等原理实现利用电流调控自旋波移相器的状态。在工作时，该自旋波移相器无需额外能量输入，即可对自旋波信号相位进行调控，当需要变更状态时，通过脉冲电流即可实现转化。

实施例1

本实施例中作为谐振体的铁磁层尺寸为：L₁＝150nm，w₁＝50nm，R＝25nm，t₁＝10nm；自旋波波导尺寸为w₄＝100nm，t₄＝10nm，L₄＝2000nm；重金属层尺寸为：L₂＝350nm，W₂＝150nm，t₂＝30nm；自旋波波导与铁磁层之间的间隔距离d＝5nm；自旋波频率为10.5GHz。图3为本发明实施例1提供的自旋波移相器中，铁磁层的磁化状态为+y和-y时的示意图；其中，1和3分别为自旋波波导和铁磁层，2为自旋波的激励区域。将实施例1得到的移相器进行仿真，参数选择如下：铁磁层和矩形波导为坡莫合金，其饱和磁化强度Ms＝8×10⁵A/m，各向异性常数k＝0J/m³，交换常数A＝12pJ/m，阻尼系数α＝0.005，极化电流密度J＝1e13J/m²。图4为本发明实施例1提供的自旋波移相器在自旋波传输稳定后某一时刻的仿真结果；其中，(a)为没有自旋波移相器情况的波导的波形图，(b)为移相器处于非移相模式下的波导的波形图，(c)为移相器处于移相模式下的波导的波形图；1区域为自旋波激励区，2区域为自旋波移相器的影响区域，黑色与白色分别表示波导中+Z方向与-Z方向的磁场分量强度。由图4可知，对比(a)，(b)波形，可知移相器处于非移相状态时不改变原自旋波的相位，对比(b)，(c)波形，可知移相器处于移相模式时，会使波导中自旋波信号产生180°相移。

实施例2

本实施例中作为谐振体的铁磁层尺寸为：L₁＝150nm，w₁＝50nm，R＝25nm，t₁＝2nm；自旋波波导尺寸为w₄＝50nm，t₄＝4nm，L₄＝2000nm；重金属层尺寸为：L₂＝350nm，W₂＝150nm，t₂＝30nm；自旋波波导与铁磁层之间的间隔距离d＝2nm；自旋波频率为10.5GHz。将实施例2得到的移相器进行仿真，参数选择如下：铁磁层和矩形波导为坡莫合金，其饱和磁化强度Ms＝8×10⁵A/m，各向异性常数k＝0J/m³，交换常数A＝12pJ/m，阻尼系数α＝0.005，极化电流密度J＝1e13J/m²。图5为本发明实施例2提供的自旋波移相器在自旋波传输稳定后某一时刻的仿真结果；其中，(a)为没有自旋波移相器情况的波导的波形图，(b)为移相器处于非移相模式下的波导的波形图，(c)为移相器处于移相模式下的波导的波形图；1区域为自旋波激励区，2区域为自旋波移相器的影响区域，黑色与白色分别表示波导中+Z方向与-Z方向的磁场分量强度。由图5可知，实施例2提供的自旋波移相器较好地实现了移相功能。

图6(a)表示铁磁层处于+y方向的初始磁化状态，黑色箭头表示磁化方向；(b)表示通入电流密度为J＝1e13A/m²的极化电流250皮秒(ps)后铁磁层的磁化状态；(c)表示弛豫一定时间(约20ns)至稳定状态后铁磁层的磁化状态。

本发明提供的自旋波移相器，在移相模式下能够稳定地实现π(180°)相移，在非移相模式下能较好地保持原自旋波的幅值及相位。同时两状态间的调控由电流脉冲实现，本仿真中采用自旋极化电流密度J＝1e13A/m²，脉冲时间250皮秒(ps)，弛豫短暂时间后(约20ns)即可实现。

综上，本发明公开了一种电流调控的非易失型自旋波移相器设计，可实现的功能为：通过电流选择移相器是否处于移相状态，在移相状态下可实现稳定的π幅度相移，在非移相状态下，保有原信号的相位及强度信息。

Claims

1.一种基于极化电流调控的自旋波移相器，包括自旋波波导(4)、位于自旋波波导上方的铁磁层(1)、位于铁磁层(1)之上的重金属层(2)、以及与重金属层两端相连用于通入电流的两个电极(3)，其中，所述自旋波波导(4)与铁磁层(1)之间存在间隔，所述铁磁层的长边与自旋波波导的传输方向垂直，所述铁磁层为非对称结构，以产生形状各向异性。

2.根据权利要求1所述的基于极化电流调控的自旋波移相器，其特征在于，所述铁磁层的两个对角做直线截角或弧线截角，以得到非对称结构。

3.根据权利要求1所述的基于极化电流调控的自旋波移相器，其特征在于，所述铁磁层(1)为长条形，其长宽比为(2～4)：1。

4.根据权利要求1所述的基于极化电流调控的自旋波移相器，其特征在于，所述铁磁层(1)的长度与自旋波波导(4)宽度的比值为(2～4):1。

5.根据权利要求1所述的基于极化电流调控的自旋波移相器，其特征在于，所述自旋波波导(4)为矩形波导。

6.根据权利要求1所述的基于极化电流调控的自旋波移相器，其特征在于，所述自旋波波导与铁磁层之间的间隔为1～5nm。

7.根据权利要求1所述的基于极化电流调控的自旋波移相器，其特征在于，所述电极(3)为金、铂、铜或铝；所述重金属层(2)为Pt、Ta或W；所述铁磁层(1)与自旋波波导(4)为铁磁材料。