CN112397855B - 一种基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构，属于自旋波逻辑器件技术领域。具体包括Y字形自旋波波导，连接Y字形自旋波波导两个分叉端的相移自旋波波导，和位于相移自旋波波导的侧面的铁磁层；相移自旋波波导独立传播两个自旋波，铁磁层的长宽比为(1～5)：1，铁磁层的长度小于相移自旋波波导的长度，铁磁层与相移自旋波波导的间距为100～200nm，使得相移自旋波波导靠近铁磁层侧的自旋波与远离铁磁侧的自旋波产生大小为π的相位差，进而实现自旋波的异或逻辑门功能，无需电流、电压等外部手段调控。优选地相移自旋波波导包括自旋波以边缘模式传播的第一自旋波波导，可简化器件结构，利于器件的小型化。

Description

一种基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构
技术领域
本发明属于自旋波逻辑器件技术领域，具体涉及一种基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构。
背景技术
随着现代信息技术的不断进步，基于半导体的数字逻辑电路已经达到其量子极限，进一步缩小器件尺寸会带来新的量子效应影响。因此亟需新的方案来满足现代计算机系统的需要，利用自旋波作为信息载体就是其中最有潜力的方案之一。
自旋波是有序磁介质中的集体激发，其特征频率在GHz～THz范围内，因此自旋波器件具有应用频段宽、最大时钟频率高的优点。此外，信息可以用自旋波幅值、相位与频率进行编码，利用自旋波的非线性特性进行信息传递可以增加额外的信息自由度，进一步缩小器件的体积与数量，还能减少器件之间的耦合，增加信息传递的效率。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，结合了磁振子特性的自旋波逻辑器件具有低功耗、小尺寸、宽应用频段、逻辑操作简易、具有非易失性等诸多优势。
自旋波逻辑器件主要是通过基于自旋波的干涉效应实现，因此对自旋波进行相位调控是自旋波逻辑器件设计的主要方向，如何对自旋波进行准确且稳定的相位调控成为了当下自旋波逻辑器件的研究重点。现有自旋波移相方式可大致分为两类：基于外场调控设计和基于微磁结构设计。对于自旋波逻辑器件而言，逻辑信号被编码进自旋波的相位或幅值中。因此，为了简化器件结构，无需电信号调控且能完整实现逻辑功能是当前自旋波逻辑器件的设计重点。Louis等人在论文Bias-free spin-wave phase shifter formagnoniclogic(《无偏置场下的自旋波移相器设计》)中提出了一种无外加偏置磁场的磁控移相器的设计方案，该移相器采用局域集体自旋波模式，自旋波在磁纳米点阵列中传播，实现对在畴壁中传播的自旋波的固定移相操作，其相移的大小可通过点缺陷与波导之间的距离调控。德国Kostylev团队(Kostylev M P,Serga A A,Schneider T,et al.Spin-wave logicalgates.Appl Phys Lett,2005,87:153501)提出Mach-Zehnder interferometer(MZI，马赫-曾德尔干涉仪)型自旋波逻辑门，该逻辑门由功分器、移相器等组件组成，在该设计中，其移相是通过施加电流来实现的，当电流施加到一定值时，可使自旋波产生π相移，自旋波经过相移后再进行干涉，可实现同或逻辑门的功能。该设计的亮点在于首创性提出了自旋波逻辑门的设计，利用电流使得自旋波产生π相移，完整实现了自旋波同或逻辑门的功能，但是不足之处在于，该逻辑器件在实现功能的同时需要注入电流，功耗较大，并且该设计实现自旋波相移的大小与电流的大小有关，电流的微小波动都会影响器件的功能，因此该设计存在功耗大且无法稳定控制的缺陷。Louis等人(Louis S,Lisenkov I,Nikitov S,etal.Bias-free spin-wave phase shifter for magnonic logic.AIP Adv,2016,6:065103)利用点缺陷结构实现了对在畴壁中传播的自旋波的移相操作，并利用该特性实现了自旋波异或逻辑门的功能，在0和1的输出状态下，输出振幅的差异可能非常大(>15dB)，该设计的亮点在于无需外偏置场条件，且可通过调整点缺陷与波导之间的距离实现不同逻辑功能的自旋波器件。但是不足之处在于其结构较为复杂，制作工艺较为繁琐；并且利用这种结构对自旋波进行精确的相移调控也较为困难。
发明内容
针对上述现有技术存在的自旋波逻辑器件结构复杂、需要电信号调控的技术问题，本发明提出了一种基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构，具有小型化、无需外部手段调控的优点。
本发明具体技术方案如下：
一种基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构，其特征在于，包括Y字形自旋波波导，连接Y字形自旋波波导两个分叉端的相移自旋波波导，和位于相移自旋波波导的侧面的铁磁层；所述相移自旋波波导用于独立传播两个自旋波，所述铁磁层的长宽比为(1～5)：1，铁磁层的长度小于相移自旋波波导的长度，铁磁层与相移自旋波波导的间距为100～200nm，使得相移自旋波波导靠近铁磁层侧的自旋波与远离铁磁侧的自旋波产生大小为π的相位差。
进一步地，所述相移自旋波波导包括第一自旋波波导，和位于第一自旋波波导一端且平行放置的第二自旋波波导、第三自旋波波导，所述第一自旋波波导的另一端连接Y字形自旋波波导的两个分叉端；自旋波在所述第二自旋波波导、第三自旋波波导和Y字形自旋波波导中以中心模式传播，在所述第一自旋波波导中以边缘模式传播。
进一步地，所述第二自旋波波导、第三自旋波波导和Y字形自旋波波导的宽度相等，为20～50nm；所述第二自旋波波导和第三自旋波波导的长度相等，为200～1000nm；所述Y字形自旋波波导的长度为500～1000nm。
进一步地，所述第一自旋波波导的长度为500～1000nm，宽度为300～500nm。
进一步地，在所述第一自旋波波导和Y字形自旋波波导之间设有两个平行放置的自旋波波导，用于自旋波从边缘模式到中心模式的稳定转换。
进一步地，所述Y字形自旋波波导与相移自旋波波导、铁磁层的厚度相等，为1～50nm。
进一步地，所述铁磁层的饱和磁化强度高于Y字形自旋波波导和相移自旋波波导的饱和磁化强度。
进一步地，所述铁磁层的材料采用钴(Co)、坡莫合金(Py)等，所述Y字形自旋波波导和相移自旋波波导的材料采用阻尼为0.0002～0.0007的自旋波材料，如钇铁石榴石(YIG)等。
进一步地，所述自旋波异或逻辑门结构的激励频率为4.40～4.70GHz。
进一步地，所述Y字形自旋波波导、相移自旋波波导与铁磁层位于同一平面。
本发明所得基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构可有效实现异或逻辑门的功能，其原理为：由于铁磁层的饱和磁化强度大于自旋波波导结构的饱和磁化强度，铁磁层产生的偶极杂散场在磁偶极作用下会增强相移自旋波波导靠近铁磁层侧的磁有效场。并且由于相移自旋波波导与铁磁层有一定间隔，且相移自旋波波导的横向尺寸长于铁磁层的长度，因此铁磁层只会增强相移自旋波波导靠近铁磁层侧的局部区域的磁有效场，进而导致该区域的自旋波色散曲线上移，自旋波波长增加，经过该区域后自旋波波长恢复到正常波长大小。由于相移自旋波波导远离铁磁层侧的自旋波波长未发生改变，使得靠近铁磁层侧的自旋波与远离铁磁侧的自旋波产生大小为π的相位差。根据这一特性，当相移自旋波波导输入两个相位相同的自旋波时，由于相移自旋波波导靠近铁磁层侧的自旋波在传播时相位会延迟π，经干涉后，Y字形自旋波波导中的自旋波幅值接近于0，此时自旋波异或逻辑门结构输出为0。此外，当相移自旋波波导没有自旋波输入时，Y字形自旋波波导中的自旋波幅值为0，此时自旋波异或逻辑门结构输出为0；当相移自旋波波导仅有一个自旋波输入时，Y字形自旋波波导中的自旋波幅值不为0，此时自旋波异或逻辑门结构输出为1。
优选地，所述相移自旋波波导包括第一自旋波波导，和位于第一自旋波波导一端且平行放置的第二自旋波波导、第三自旋波波导，此时自旋波在第二自旋波波导、第三自旋波波导和Y字形自旋波波导中以中心模式传播，在第一自旋波波导中以边缘模式传播，并且第一自旋波波导两侧的边缘自旋波在传播时相互独立。在磁偶极作用下，靠近铁磁层侧的边缘自旋波与远离铁磁侧的边缘自旋波会产生大小为π的相位差，进而当第二自旋波波导和第三自旋波波导输入相位相同的自旋波时，靠近铁磁层侧的边缘自旋波在传播时相位会延迟π。本发明通过优选的采用边缘模式传播的第一自旋波波导，代替了传统采用中心模式传播的两根自旋波波导，在保证自旋波相移调控效果的同时简化器件结构，利于器件的小型化与集成化。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出了一种基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构，通过采用位于相移自旋波波导侧面的铁磁层，使得相移自旋波波导靠近铁磁层侧的自旋波与远离铁磁侧的自旋波具有大小为π的相位差，进而实现自旋波的异或逻辑门功能，相比于传统异或逻辑门结构，本发明提出的自旋波异或逻辑门结构在工作时无需电流、电压等外部手段调控；
2、优选地，本发明采用以边缘模式传播的第一自旋波波导，代替了传统采用以中心模式传播的两根自旋波波导，在保证自旋波相移调控效果的同时简化器件结构且易于制作，利于器件的小型化与集成化。
附图说明
图1为本发明实施例1提出的基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构的俯视图(a)和侧视图(b)；
图2为50nm宽YIG波导的色散曲线图；
图3为本发明实施例1提出的基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构中横向方向带有铁磁层(Co)的第一自旋波波导与400nm宽的单一YIG矩形波导的磁有效场对比图；
图4为本发明实施例1提出的基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构中横向方向带有铁磁层的第一自旋波波导(b)与400nm宽的单一YIG矩形波导(a)的色散曲线图；
图5为本发明实施例1提出的基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构在不同自旋波信号组合输入下的自旋波传播图；其中，(a)的输入状态为0，1；(b)的输入状态为1，1；(c)的输入状态为1，0；
图6为本发明实施例1提出的基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构的真值表。
附图标记如下：
1.第二自旋波波导；2.第三自旋波波导；3.第一自旋波波导；4.Y字形自旋波波导；5.铁磁层；6.第四自旋波波导；7.第五自旋波波导；w1为第二自旋波波导的宽度；w2为第一自旋波波导的宽度；w3为铁磁层的宽度；L1为第二自旋波波导的长度；L2为第一自旋波波导的长度；L3为第四自旋波波导的长度；L4为Y字形自旋波波导分叉端X轴方向的长度；L5为Y字形自旋波波导的主干长度；L6为铁磁层的长度；g为铁磁层与相移自旋波波导的间距；t1为铁磁层的厚度。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，结合以下具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明。
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面的理解本方明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
本实施例提供了一种基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构，如图1所示，包括Y字形自旋波波导(4)、相移自旋波波导和铁磁层(5)，所述Y字形自旋波波导(4)、相移自旋波波导与铁磁层(5)位于同一平面；所述相移自旋波波导包括第一自旋波波导(3)，和位于第一自旋波波导(3)一端且平行放置的第二自旋波波导(1)、第三自旋波波导(2)，所述第一自旋波波导(3)的另一端连接Y字形自旋波波导(4)的两个分叉端；所述铁磁层(5)位于第一自旋波波导(3)的侧面，与第一自旋波波导(3)间距110nm；进一步地，在所述第一自旋波波导(3)和Y字形自旋波波导(4)之间设有平行放置的第四自旋波波导(6)和第五自旋波波导(7)。
所述第二自旋波波导(1)、第三自旋波波导(2)、第四自旋波波导(6)、第五自旋波波导(7)和Y字形自旋波波导(4)的宽度相等，为50nm；所述第二自旋波波导(1)和第三自旋波波导(2)的长度相等，为500nm；所述第四自旋波波导(6)和第五自旋波波导(7)的长度相等，为500nm；所述Y字形自旋波波导(4)的主干长度为500nm，分叉端X轴方向的长度为500nm，即Y字形自旋波波导(4)的长度为1000nm；所述第一自旋波波导(3)的长度为1000nm，宽度为400nm；所述铁磁层(5)的长度为1000nm，宽度为400nm；所述Y字形自旋波波导(4)与第一自旋波波导(3)、第二自旋波波导(1)、第三自旋波波导(2)、第四自旋波波导(6)、第五自旋波波导(7)、铁磁层(5)的厚度相等，为50nm。
本实施例中所述Y字形自旋波波导(4)、第一自旋波波导(3)、第二自旋波波导(1)、第三自旋波波导(2)、第四自旋波波导(6)和第五自旋波波导(7)的材料为钇铁石榴石(YIG)，饱和磁化强度MS＝1.4×105A/m,交换常数A＝3.5×10-12J/m，吉尔伯特阻尼系数α＝2×10-4；所述铁磁层(5)的材料为钴(Co)，饱和磁化强度MS＝5.8×105A/m,交换常数A＝1.5×10-11J/m，吉尔伯特阻尼系数α＝0.01。
本实施例所得基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构的激励频率为4.6GHz。本实施例中Y字形自旋波波导(4)、第二自旋波波导(1)、第三自旋波波导(2)、第四自旋波波导(6)和第五自旋波波导(7)内自旋波的传播方式为中心模式，由图2所示的50nm宽YIG波导的色散曲线图可知，自旋波在50nm宽的波导中只以中心模式传播；第一自旋波波导(3)内自旋波的传播方式为边缘模式。
由图3带有铁磁层(5)的第一自旋波波导(3)与400nm宽的单一YIG矩形波导的磁有效场对比图可知，由于铁磁层(5)的存在，第一自旋波波导(3)靠近铁磁层(5)一侧的磁有效场明显增大；如图4所示，对比二者的色散曲线图可知，铁磁层(5)的存在导致第一自旋波波导(3)中的磁偶极场发生改变，从而使得第一自旋波波导(3)靠近铁磁层(5)一侧的色散曲线上移，即靠近铁磁层(5)一侧的边缘自旋波波长增加。
图5为基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构在不同自旋波信号组合输入下的自旋波传播图，输入状态的第一位代表第二自旋波波导(1)的自旋波输入情况，输入状态的第二位代表第三自旋波波导(2)的自旋波输入情况，其中0表示没有自旋波输入，1表示有自旋波输入；由图5(b)可知，由于铁磁层(5)的存在导致靠近铁磁层(5)一侧的边缘自旋波波长增加，从而使得靠近铁磁层(5)一侧的边缘自旋波较远离铁磁层(5)一侧边缘自旋波的相位延迟π，经干涉后，Y字形自旋波波导(4)中的自旋波幅值接近于0，此时自旋波异或逻辑门结构输出状态为0；图5(a)和图5(c)中干涉后Y字形自旋波波导(4)中的自旋波幅值不为0，此时自旋波异或逻辑门结构输出状态为1。表明本实施例提出的基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构可以完整且准确实现异或功能。
图6为本实施例提出的基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构的真值表。
实施例2
本实施例提供了一种基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构，采用与实施例1类似的结构，如图1所示，包括Y字形自旋波波导(4)、相移自旋波波导和铁磁层(5)，所述Y字形自旋波波导(4)、相移自旋波波导与铁磁层(5)位于同一平面；所述相移自旋波波导包括第一自旋波波导(3)，和位于第一自旋波波导(3)一端且平行放置的第二自旋波波导(1)、第三自旋波波导(2)，所述第一自旋波波导(3)的另一端连接Y字形自旋波波导(4)的两个分叉端；所述铁磁层(5)位于第一自旋波波导(3)的侧面，与第一自旋波波导(3)间距110nm；进一步地，在所述第一自旋波波导(3)和Y字形自旋波波导(4)之间设有平行放置的第四自旋波波导(6)和第五自旋波波导(7)。
所述第二自旋波波导(1)、第三自旋波波导(2)、第四自旋波波导(6)、第五自旋波波导(7)和Y字形自旋波波导(4)的宽度相等，为50nm；所述第二自旋波波导(1)和第三自旋波波导(2)的长度相等，为500nm；所述第四自旋波波导(6)和第五自旋波波导(7)的长度相等，为500nm；所述Y字形自旋波波导(4)的主干长度为500nm，分叉端X轴方向的长度为500nm，即Y字形自旋波波导(4)的长度为1000nm；所述第一自旋波波导(3)的长度为1000nm，宽度为400nm；所述铁磁层(5)的长度为430nm，宽度为400nm；所述Y字形自旋波波导(4)与第一自旋波波导(3)、第二自旋波波导(1)、第三自旋波波导(2)、第四自旋波波导(6)、第五自旋波波导(7)、铁磁层(5)的厚度相等，为50nm。
本实施例中所述Y字形自旋波波导(4)、第一自旋波波导(3)、第二自旋波波导(1)、第三自旋波波导(2)、第四自旋波波导(6)和第五自旋波波导(7)的材料为钇铁石榴石(YIG)，饱和磁化强度MS＝1.4×105A/m,交换常数A＝3.5×10-12J/m，吉尔伯特阻尼系数α＝2×10-4；所述铁磁层(5)的材料为钴(Co)，饱和磁化强度MS＝5.8×105A/m,交换常数A＝1.5×10-11J/m，吉尔伯特阻尼系数α＝0.01。本实施例所得基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构的激励频率为4.40GHz。

Claims (9)

1.一种基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构，其特征在于，包括Y字形自旋波波导，连接Y字形自旋波波导两个分叉端的相移自旋波波导，和位于相移自旋波波导的侧面的铁磁层；所述相移自旋波波导包括第一自旋波波导，和位于第一自旋波波导一端且平行放置的第二自旋波波导、第三自旋波波导，所述第一自旋波波导的另一端连接Y字形自旋波波导的两个分叉端；自旋波在所述第二自旋波波导、第三自旋波波导和Y字形自旋波波导中以中心模式传播，在所述第一自旋波波导中以边缘模式传播，所述铁磁层的长宽比为(1～5)：1，铁磁层的长度小于相移自旋波波导的长度，铁磁层与相移自旋波波导的间距为100～200nm，使得相移自旋波波导靠近铁磁层侧的自旋波与远离铁磁侧的自旋波产生大小为π的相位差。
2.根据权利要求1所述基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构，其特征在于，所述第二自旋波波导、第三自旋波波导和Y字形自旋波波导的宽度相等，为20～50nm；所述第二自旋波波导和第三自旋波波导的长度相等，为200～1000nm；所述Y字形自旋波波导的长度为500～1000nm。
3.根据权利要求1所述基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构，其特征在于，所述第一自旋波波导的长度为500～1000nm，宽度为300～500nm。
4.根据权利要求1所述基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构，其特征在于，在所述第一自旋波波导和Y字形自旋波波导之间设有两个平行放置的自旋波波导。
5.根据权利要求1～4任一所述基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构，其特征在于，所述Y字形自旋波波导与相移自旋波波导、铁磁层的厚度相等，为1～50nm。
6.根据权利要求1～4任一所述基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构，其特征在于，所述铁磁层的饱和磁化强度高于Y字形自旋波波导和相移自旋波波导的饱和磁化强度。
7.根据权利要求1～4任一所述基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构，其特征在于，所述铁磁层的材料采用钴或坡莫合金，所述Y字形自旋波波导和相移自旋波波导的材料采用阻尼为0.0002～0.0007的自旋波材料。
8.根据权利要求1～4任一所述基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构，其特征在于，所述Y字形自旋波波导和相移自旋波波导的材料采用钇铁石榴石。
9.根据权利要求1～4任一所述基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构，其特征在于，所述自旋波异或逻辑门结构的激励频率为4.40～4.70GHz。
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CN110098451A (zh) * 2019-04-23 2019-08-06 电子科技大学 一种基于极化电流调控的自旋波移相器
CN111293392A (zh) * 2020-02-20 2020-06-16 电子科技大学 一种基于磁偶极作用的高波速自旋波波导

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Title
自旋波逻辑器件的关键技术研究;张子康;《中国硕士学位论文全文数据库》;20200808;第35页第4段-第61页第2段及附图3-1至4-10 *

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