CN111953312A - 一种基于拓扑磁结构的非门及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于拓扑磁结构的非门及其控制方法，包括纳米轨道，纳米轨道包括第一磁轨道和第二磁轨道，第一磁轨道在第二磁轨道所在平面的正投影与第二磁轨道交叉，第一磁轨道的一端为第一输入端、另一端为第一输出端，第二磁轨道的一端为第二输入端、另一端为第二输出端，第一磁轨道用于使从第一输入端输入的拓扑磁结构运动到第一输出端，第二磁轨道用于使从第二输入端输入的拓扑磁结构运动到第二输出端。利用拓扑磁结构在纳米轨道中运动制成的非门具有体积小、功耗低、稳定性高的特点。

Description

一种基于拓扑磁结构的非门及其控制方法

技术领域

本发明涉及非门制造技术领域，特别是涉及一种基于拓扑磁结构的非门及其控制方法。

背景技术

传统的非门采用CMOS结构，已经不能满足人们日益增长的需求。

发明内容

基于此，有必要提供一种基于拓扑磁结构的非门及其控制方法。

一种基于拓扑磁结构的非门，包括纳米轨道，所述纳米轨道包括第一磁轨道和第二磁轨道；

所述第一磁轨道在所述第二磁轨道所在平面的正投影与所述第二磁轨道交叉；

所述第一磁轨道的一端为第一输入端、另一端为第一输出端；

所述第二磁轨道的一端为第二输入端、另一端为第二输出端；

所述第一磁轨道用于使从第一输入端输入的拓扑磁结构运动到第一输出端，所述第二磁轨道用于使从第二输入端输入的拓扑磁结构运动到第二输出端；

所述非门用于在从所述第一输入端输入、第二输入端不输入所述拓扑磁结构时，使来自所述第一输入端的拓扑磁结构从第一输出端输出、且所述第二输出端无拓扑磁结构输出，代表所述非门输入1、输出0；

所述非门还用于在从所述第二输入端输入、第一输入端不输入所述拓扑磁结构时，使来自所述第二输入端的拓扑磁结构从第二输出端输出、且所述第一输出端无拓扑磁结构输出，代表所述非门输入0、输出1。

在其中一个实施例中，所述第一磁轨道与第二磁轨道交叉连接。

在其中一个实施例中，所述拓扑磁结构是斯格明子。

在其中一个实施例中，所述非门还包括通电装置，所述通电装置一端同时连接所述第一输入端和所述第二输入端，另一端与所述第一输出端和第二输出端相连，所述通电装置用于加载自旋极化电流，以使所述拓扑磁结构在所述自旋极化电流的驱动下沿着所述纳米轨道定向运动。

在其中一个实施例中，所述纳米轨道的材料类型是人工合成反铁磁，所述纳米轨道包括顺序叠设的磁性材料层、金属层、磁性材料层。

在其中一个实施例中，所述纳米轨道的材料类型是人工合成反铁磁，所述纳米轨道包括顺序叠设的重金属层、铁磁层、金属层、铁磁层、重金属层。

在其中一个实施例中，所述第一磁轨道和所述第二磁轨道相互不接触且材料不相同。

在其中一个实施例中，所述第一磁轨道在所述第二磁轨道所在平面的正投影与所述第二磁轨道成轴对称分布，且交叉形状为X型。

一种基于前述任一实施例的拓扑磁结构的非门的控制方法，包括：

通过在所述第一输入端输入、第二输入端不输入所述拓扑磁结构，给所述非门输入1；

驱动所述拓扑磁结构从所述第一输入端运动到所述第一输出端；

所述第一输出端输出拓扑磁结构、所述第二输出端不输出拓扑磁结构，从而所述非门输出0。

一种基于前述任一实施例的拓扑磁结构的非门的控制方法，还包括：

通过在所述第二输入端输入、第一输入端不输入所述拓扑磁结构，给所述非门输入0；

驱动所述拓扑磁结构从所述第二输入端运动到所述第二输出端；

所述第二输出端输出拓扑磁结构、所述第一输出端不输出拓扑磁结构，从而所述非门输出1。

上述基于拓扑磁结构的非门，非门输入1时在第一输入端输入、第二输入端不输入拓扑磁结构，从而第一输出端输出、且第二输出端不输出拓扑磁结构，代表非门输出0；非门输入0时第二输入端输入、第一输入端不输入拓扑磁结构，从而第二输出端输出、且第一输出端不输出拓扑磁结构，代表非门输出1。因此实现了逻辑非运算。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例中基于拓扑磁结构的非门的结构示意图；

图2a为本发明一实施例中输入端逻辑为1的示意图；

图2b为本发明一实施例中输出端逻辑为1的示意图；

图3a为本发明一实施例中输入端逻辑为0的示意图；

图3b为本发明一实施例中输出端逻辑为0的示意图；

图4为本发明非门输入1时的实施例中基于拓扑磁结构的非门的控制方法流程图；

图5为本发明非门输入0时的实施例中基于拓扑磁结构的非门的控制方法流程图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一电阻称为第二电阻，且类似地，可将第二电阻称为第一电阻。第一电阻和第二电阻两者都是电阻，但其不是同一电阻。

可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

图1为本发明一实施例中基于拓扑磁结构的非门的结构示意图。

在本实施例中，纳米轨道的材料类型是人工合成反铁磁，结构为：磁性材料层、金属层、磁性材料层。在一个实施例中，磁性材料层采用阻挫磁性材料。由于Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida(RKKY)效应，当两层铁磁层中间存在金属层时，两层铁磁层可呈现反铁磁交换耦合作用。此外，还可以使用人工合成反铁磁一般的结构：重金属层、铁磁层、金属层、铁磁层、重金属层，而重金属的存在是为了在重金属层、铁磁层的界面处诱导出Dzyaloshinskii–Moriya(DM)相互作用，用以稳定斯格明子。但是，斯格明子的稳定是有相互竞争的交换作用所导致，故斯格明子的稳定也可以由其他类型的相互作用导致，例如阻挫磁体中，故纳米轨道的材料类型使用人工合成反铁磁，但结构根据需求设定，在此不作限定。

在本实施例中，所述拓扑磁结构为斯格明子，但斯格明子是众多拓扑磁结构中的一种类型。除了斯格明子之外，其实还存在多种其他类型的拓扑磁结构，例如：奈尔型斯格明子、布洛赫型斯格明子、反斯格明子、磁涡旋、磁性双半子、靶斯格明子、双斯格明子、磁斯格明子管、磁浮子、磁霍普夫子。在本发明中，也可以利用上述不同类型的拓扑磁结构来完成非门的逻辑计算，研究人员可以根据具体实施情况决定采用拓扑磁结构的类型，在此不做限定。

磁性斯格明子是一种具有涡旋结构的手性自旋结构，这种磁性斯格明子可以稳定存在于具有极强自旋轨道耦合作用的块磁体或者是与重金属耦合的纳米薄膜中。近年来，研究表明磁性斯格明子可以用于芯片内二进制信息的载体，基于磁性斯格明子的芯片设计有希望降低芯片功耗和尺寸。

进一步的，将磁性斯格明子应用在非门较于传统的CMOS结构有极大的优势，主要表现在以下三个方面：1)与传统的磁畴壁相比，磁性斯格明子的尺寸可以做到很小，目前，单个的磁性斯格明子已经可以做到5nm；2)磁性斯格明子是具有拓扑保护的一种特殊的磁畴结构，相较于传统磁畴壁更加稳定，能够在外界条件(磁场、温度和器件缺陷等)发生变化时保持稳定，从而使得基于磁性斯格明子的非门稳定性更高；3)磁性斯格明子的启动电流密度远小于磁畴壁的启动电流密度，是磁畴壁的百万分之一，使得基于斯格明子非门具有低功耗的特性。

本发明是以斯格明子为例介绍非门的逻辑运算，参见图1，所述纳米轨道包括第一磁轨道10、第二磁轨道20、第一输入端11、第一输出端12、第二输入端21和第二输出端22。

所述第一磁轨道10在所述第二磁轨道20所在平面的正投影与所述第二磁轨道20交叉。

在一实施例中，所述第一磁轨道与第二磁轨道交叉连接，且在同一平面内。

在一实施例中，所述第一磁轨道和所述第二磁轨道相互不接触且材料不相同，但其轨道材料可以稳定形成拓扑磁结构。

在另一实施例中，所述第一磁轨道10在所述第二磁轨道20所在平面的正投影与所述第二磁轨道20成轴对称分布，且交叉形状为X型。

第一磁轨道10的一端为第一输入端11、另一端为第一输出端12；第二磁轨道20的一端为第二输入端21、另一端为第二输出端22；所述第一磁轨道10用于使从第一输入端11输入的拓扑磁结构运动到第一输出端12，所述第二磁轨道20用于使从第二输入端21输入的拓扑磁结构运动到第二输出端22。

在其中一个实施例中，所述非门还包括通电装置(图中未示出)，所述通电装置一端同时连接所述第一输入端11和所述第二输入端21，另一端与所述第一输出端12和第二输出端22相连，所述通电装置用于加载自旋极化电流，以使所述拓扑磁结构在所述自旋极化电流的驱动下沿着所述纳米轨道定向运动。所述通电装置为电极，也可以是任何可以产生自旋极化电流的装置，例如利用Pd等具有强自旋极化能带结构的金属，加载普通电流后，就可产生自旋极化电流。当然除此之外，斯格明子的驱动方式有多种，包括电流驱动，电场驱动，自旋波驱动等。

基于拓扑磁结构的非门工作原理如下：

在本发明中逻辑1的定义分为两种情况：

1)所述第一输入端输入、且第二输入端不输入所述拓扑磁结构30，如图2a；

2)所述第二输出端输出拓扑磁结构30、且所述第一输出端无拓扑磁结构输出,如图2b所示。

在本发明中逻辑0的定义也分为两种情况：

1)所述第二输入端输入、且第一输入端不输入所述拓扑磁结构30，如图3a；

2)所述第二输出端无拓扑磁结构输出、且所述第一输出端输出拓扑磁结构30，如图3b所示。

拓扑磁结构的非门逻辑运算有以下两种情况：

输入1，输出0：从所述第一输入端输入拓扑磁结构、第二输入端不输入拓扑磁结构时，即输入逻辑1，在外界驱动力的作用下，使来自所述第一输入端的拓扑磁结构沿着第一磁轨道从第一输出端输出，且所述第二输出端无拓扑磁结构输出，即输出逻辑0。

输入0，输出1：在从所述第二输入端输入拓扑磁结构、第一输入端不输入所述拓扑磁结构时，即输入逻辑0，在外界驱动力的作用下，使来自所述第二输入端的拓扑磁结构沿着第二磁轨道从第二输出端输出、且所述第一输出端无拓扑磁结构输出，即输出逻辑1。

上述基于拓扑磁结构的非门包括纳米轨道，纳米轨道包括第一磁轨道10、第二磁轨道20、第一输入端11、第一输出端12、第二输入端21和第二输出端22；所述第一磁轨道10在所述第二磁轨道20所在平面的正投影与所述第二磁轨道20交叉；第一磁轨道10的一端为第一输入端11、另一端为第一输出端12；第二磁轨道20的一端为第二输入端21、另一端为第二输出端22；所述第一磁轨道10用于使从第一输入端11输入的拓扑磁结构运动到第一输出端12，所述第二磁轨道20用于使从第二输入端21输入的拓扑磁结构运动到第二输出端22。上述基于拓扑磁结构的非门可以实现完整的逻辑非运算。

进一步地，图4是一实施例中基于拓扑磁结构的非门的控制方法流程图。

在本实施例中，基于拓扑磁结构的非门包括纳米轨道，纳米轨道包括第一磁轨道和第二磁轨道，所述第一磁轨道在所述第二磁轨道所在平面的正投影与所述第二磁轨道交叉，所述第一磁轨道的一端为第一输入端、另一端为第一输出端，所述第二磁轨道的一端为第二输入端、另一端为第二输出端。所述方法包括以下步骤：

S401，在第一输入端输入、第二输入端不输入拓扑磁结构；

输入1：使用自旋极化电流在第一输入端输入拓扑磁结构，而第二输入端则不输入任何物质，即输入逻辑1。

S402，驱动所述拓扑磁结构从第一输入端运动到第一输出端；

在电流的驱动作用下，拓扑磁结构将沿着第一磁轨道进行运动进入第一输出端，而第二磁轨道中则没有物质。

S403，第一输出端输出拓扑磁结构、第二输出端无拓扑磁结构输出。

输出0：持续驱动，来自所述第一输入端的拓扑磁结构将运动到第一输出端输出，而所述第二输出端无拓扑磁结构输出，即输出逻辑0。

在步骤S403中，我们也可以在输出端通过一些手段检测到拓扑磁结构的存在与否。在一实施例中，通过在Co/Ge/Fe磁性隧道结(MTJ)电学手段实现斯格明子探测的方法，由于MTJ的隧穿磁阻取决于自由层中的磁矩方向,当斯格明子运动到由MTJ构成的读取头下方时,磁矩方向的改变会导致与自旋有关的电子态发生改变,从而使得MTJ隧穿磁阻发生变化，通过读取该阻值的变化即可判断出读取头区域是否存在斯格明子；以上使用隧穿磁阻效应的方法检测斯格明子的存在只是一种示例，也可通过利用斯格明子的非共线性磁阻和各向异性磁阻等效应来检测其存在与否。

基于拓扑磁结构的非门的控制方法还包括：

S501，在第二输入端输入、第一输入端不输入拓扑磁结构；

输入0：使用自旋极化电流在第二输入端输入拓扑磁结构，而第一输入端则不输入任何物质，即输入逻辑1。

S502，驱动所述拓扑磁结构从第二输入端运动到第二输出端；

在电流的驱动作用下，拓扑磁结构将沿着第二磁轨道进行运动进入第二输出端，而第一磁轨道中则没有物质。

S503，第二输出端输出拓扑磁结构、第一输出端无拓扑磁结构输出。

输出1：持续驱动，来自所述第二输入端的拓扑磁结构将运动到第二输出端输出，而所述第一输出端无拓扑磁结构输出，即输出逻辑0。

在步骤S503中，我们也可以在输出端通过一些手段检测到拓扑磁结构的存在与否。在一实施例中，通过在Co/Ge/Fe磁性隧道结(MTJ)电学手段实现斯格明子探测的方法，由于MTJ的隧穿磁阻取决于自由层中的磁矩方向,当斯格明子运动到由MTJ构成的读取头下方时,磁矩方向的改变会导致与自旋有关的电子态发生改变,从而使得MTJ隧穿磁阻发生变化，通过读取该阻值的变化即可判断出读取头区域是否存在斯格明子；以上使用隧穿磁阻效应的方法检测斯格明子的存在只是一种示例，也可通过利用斯格明子的非共线性磁阻和各向异性磁阻等效应来检测其存在与否。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于拓扑磁结构的非门，包括纳米轨道，其特征在于，所述纳米轨道包括第一磁轨道和第二磁轨道，所述第一磁轨道在所述第二磁轨道所在平面的正投影与所述第二磁轨道交叉，所述第一磁轨道的一端为第一输入端、另一端为第一输出端，所述第二磁轨道的一端为第二输入端、另一端为第二输出端，所述第一磁轨道用于使从第一输入端输入的拓扑磁结构运动到第一输出端，所述第二磁轨道用于使从第二输入端输入的拓扑磁结构运动到第二输出端；

所述非门用于在从所述第一输入端输入、第二输入端不输入所述拓扑磁结构时，使来自所述第一输入端的拓扑磁结构从第一输出端输出、且所述第二输出端无拓扑磁结构输出，代表所述非门输入1、输出0；

所述非门还用于在从所述第二输入端输入、第一输入端不输入所述拓扑磁结构时，使来自所述第二输入端的拓扑磁结构从第二输出端输出、且所述第一输出端无拓扑磁结构输出，代表所述非门输入0、输出1。

2.根据权利要求1所述的基于拓扑磁结构的非门，其特征在于，所述第一磁轨道与第二磁轨道交叉连接。

3.根据权利要求1所述的基于拓扑磁结构的非门，其特征在于，所述拓扑磁结构是斯格明子。

4.根据权利要求1所述的基于拓扑磁结构的非门，其特征在于，所述非门还包括通电装置，所述通电装置一端同时连接所述第一输入端和所述第二输入端，另一端与所述第一输出端和第二输出端相连，所述通电装置用于加载自旋极化电流，以使所述拓扑磁结构在所述自旋极化电流的驱动下沿着所述纳米轨道定向运动。

5.根据权利要求1所述的基于拓朴磁结构的非门，其特征在于，所述纳米轨道的材料类型是人工合成反铁磁，所述纳米轨道包括顺序叠设的磁性材料层、金属层、磁性材料层。

6.根据权利要求1所述的基于拓朴磁结构的非门，其特征在于，所述纳米轨道的材料类型是人工合成反铁磁，所述纳米轨道包括顺序叠设的重金属层、铁磁层、金属层、铁磁层、重金属层。

7.根据权利要求1所述的基于拓扑磁结构的非门，其特征在于，所述第一磁轨道和所述第二磁轨道相互不接触且材料不相同。

8.根据权利要求1所述的基于拓扑磁结构的非门，其特征在于，所述第一磁轨道在所述第二磁轨道所在平面的正投影与所述第二磁轨道成轴对称分布，且交叉形状为X型。

9.一种如权利要求1-8中任一项所述的基于拓扑磁结构的非门的控制方法，包括：

通过在所述第一输入端输入、第二输入端不输入所述拓扑磁结构，给所述非门输入1；

驱动所述拓扑磁结构从所述第一输入端运动到所述第一输出端；

所述第一输出端输出拓扑磁结构、所述第二输出端不输出拓扑磁结构，从而所述非门输出0。

10.一种如权利要求1-8中任一项所述的基于拓扑磁结构的非门的控制方法，包括：

通过在所述第二输入端输入、第一输入端不输入所述拓扑磁结构，给所述非门输入0；

驱动所述拓扑磁结构从所述第二输入端运动到所述第二输出端；

所述第二输出端输出拓扑磁结构、所述第一输出端不输出拓扑磁结构，从而所述非门输出1。

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