CN112563706A - 磁振子波导和自旋波调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁振子波导和自旋波调制方法，磁振子波导包括上层膜、下层膜和天线，上层膜中形成奈尔磁畴壁，天线覆盖上层膜并与上层膜和下层膜存在电隔离，下层膜用于接受注入调制电流，天线用于接受施加交变电场。本发明通过输入到磁振子波导中的调制电流的方向和密度来调制磁振子波导传输的自旋波，可以实现自旋波的振幅的放大，从而改善磁振子波导本身的阻尼引起的自旋波的衰减，能够改善磁振子波导的品质，而且实施例中的磁振子波导的功耗较低，对散热器件的要求也较低，因此可以将本实施例中的磁振子波导应用于低功耗要求或者远距离传输要求等的更多的场合。本发明广泛应用于电子器件技术领域。

Description

磁振子波导和自旋波调制方法

技术领域

本发明涉及电子器件技术领域，属于磁振子自旋电子技术，具体是一种磁振子波导和自旋波调制方法。

背景技术

自旋波是磁性材料中磁矩进动在其内部传输形成的波，属于磁体内的集体激发，也称为磁振子。以自旋波作为信息载体的各种功能性器件常被称为磁振子器件。作为信息载体，自旋波具有许多优异的特性。例如，自旋波的波长对样品尺寸具有自适应性，即对于给定频率，样品尺寸越小，自旋波的波长也越小，这就使磁振子器件易于微缩化，可以广泛应用于微米至纳米尺度器件，天然地适应器件微型化的趋势。

磁振子波导是构建磁振子器件的核心单元，光纤型磁振子波导利用磁性材料内部的磁畴壁来传输自旋波，表现出极佳的传输性能，相比常规磁振子波导，在多个方面具有显著优势。虽然与常规磁振子波导相比，光纤型磁振子波导能够更大地抑制散射，但是由材料自身阻尼导致的自旋波能量损失依然存在，即便对于具有最低阻尼系数的材料，这种衰减也十分显著。自旋波的衰减影响磁振子器件的功能实现，甚至决定了磁振子器件的品质。因此，如何对光纤型磁振子波导中的自旋波进行调制，以改善因阻尼所致的振幅衰减成为一个重要的问题。

发明内容

针对上述至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种磁振子波导和自旋波调制方法。

一方面，本发明实施例包括一种磁振子波导，包括：

由第一材料制成的上层膜；

由第二材料制成的下层膜；所述上层膜中形成奈尔磁畴壁；

天线；所述天线覆盖所述上层膜和所述下层膜，所述天线与所述上层膜之间由绝缘层隔离；

所述下层膜用于接受注入调制电流；所述天线用于接受施加交变电场。

进一步地，所述上层膜与所述下层膜叠合成纳米线结构。

进一步地，所述天线垂直于所述纳米线结构，所述天线与所述纳米线结构存在电隔离。

进一步地，所述下层膜用于接受注入所述调制电流，电流沿着下层膜的长度方向。

进一步地，所述纳米线结构的两端存在阻尼增强区域；所述阻尼增强区域属于所述上层膜的一部分；所述阻尼增强区域的阻尼系数大于所述上层膜的阻尼系数。

进一步地，所述第一材料为垂直各向异性的铁磁材料，所述第二材料为重金属材料。

进一步地，所述铁磁材料和所述重金属材料满足：

交换劲度系数A＝15pJm^-1，手性相互作用常数D＝3.5mJm^-2，磁晶各向异性常数K_u＝0.8MJm^-3，饱和磁化强度M_s＝580kAm^-1，阻尼系数α＝0.015，自旋霍尔角Φ_H＝0.13。

进一步地，所述上层膜的长度为2μm，宽度为60nm，厚度为1nm。

另一方面，本发明实施例还包括一种自旋波调制方法，包括：

在如权利要求3-8任一项所述的磁振子波导的上层膜中写入条形奈尔磁畴壁，向天线施加交变电场，以使所述磁振子波导中产生自旋波；

将调制电流注入所述磁振子波导中的下层膜；

通过控制所述调制电流的方向和密度，调制所述自旋波的衰减特性。

进一步地，所述通过控制所述调制电流的方向和密度，调制所述自旋波的衰减特性，包括以下至少一个步骤：

控制所述调制电流的方向为反方向，以使所述自旋波的振幅随着在所述磁振子波导中的传输距离增大而减小得更快；所述反方向为所述纳米线中右侧指向左侧；

控制所述调制电流的方向为正方向，并控制所述调制电流的密度低于阈值，以使所述自旋波的振幅随着在所述磁振子波导中的传输距离增大而减小得更慢；所述正方向为所述纳米线中左侧指向右侧；

控制所述调制电流的方向为正方向，并控制所述调制电流的密度等于阈值，以使所述自旋波在所述波导中以恒定幅度传输；

控制所述调制电流的方向为正方向，并控制所述调制电流的密度大于阈值，以使所述自旋波的振幅随着在所述波导中的传输距离增大而增大。

本发明的有益效果是：实施例中的磁振子波导，其传输的自旋波的振幅可以通过输入到磁振子波导中的调制电流的方向和密度来调制，而磁振子波导中的条形奈尔磁畴壁不被电流破坏，其中可以实现自旋波的振幅的放大，从而改善磁振子波导本身的阻尼引起的自旋波的衰减，能够改善磁振子波导的品质，而且实施例中的磁振子波导的功耗较低，对散热器件的要求也较低，因此可以将本实施例中的磁振子波导应用于低功耗要求或者远距离传输要求等的更多的场合。

附图说明

图1为实施例中磁振子波导的结构示意图；

图2为实施例中自旋波衰减长度理论值与电流密度的关系示意图；

图3为实施例中不同电流密度下自旋波的二维分布图；

图4为实施例中的自旋波调制方法的流程图。

具体实施方式

本实施例中的磁振子波导是一种光纤型磁振子波导，参照图1，其包括由第一材料制成的上层膜、由第二材料制成的下层膜以及天线。上层膜与下层膜叠合成纳米线结构，该纳米线结构在y方向上的长度较小，在x方向上延伸较大的长度，上层膜中形成条形奈尔磁畴壁。图1中的虚线为上层膜中形成的奈尔磁畴壁。天线覆盖纳米线结构上，具体地，天线位于上层膜上方，并与上层膜之间存在绝缘层，从而与纳米线结构存在电隔离，天线垂直于纳米线结构，并将上层膜和下层膜都分成左右两侧，参照图1，纳米线右侧的部分比左侧的部分更长。

本实施例中，纳米线结构的下层膜用于接受外部注入调制电流，天线用于接受外部施加交变电场，交变电场在纳米线中产生沿着奈尔磁畴壁传播的自旋波。本实施例中，参照图1，以从纳米线左侧到右侧的方向为正方向，那么可以通过纳米线结构中的下层膜接受外部注入调制电流。本实施例中，调制电流的方向和大小是可控的，其中方向包括正方向和负方向。

本实施例中，用于制作上层膜的第一材料为垂直各向异性铁磁材料(Ferromagnet，FM)，用于制作下层膜的第二材料为重金属材料(Heavy Metal，HM)。所使用的铁磁材料和重金属材料具有与以下参数：交换劲度系数A＝15pJm^-1，手性相互作用常数D＝3.5mJm^-2，磁晶各向异性常数K_u＝0.8MJm^-3，饱和磁化强度M_s＝580kAm^-1，阻尼系数α＝0.015，自旋霍尔角Φ_H＝0.13。

本实施例中，上层膜的长度为2μm，宽度为60nm，厚度为1nm。下层膜的尺寸可以与上层膜相同，即下层膜的长度为2μm，宽度为60nm，厚度为1nm。

本实施例中，参照图1，纳米线结构的磁振子波导中上层膜的两端设有阻尼增强区域。阻尼增强区域的阻尼系数比上层膜其余部分的阻尼系数更大，即阻尼增强区域的阻尼系数远大于上层膜其余部分的阻尼系数。通过在磁振子波导的每端设置阻尼增强区域，可以抑制自旋波在边界的反射。

本实施例中，对图1所示的磁振子波导进行理论分析。如图1所示，从左侧向磁振子波导的下层膜注入调制电流5，则上层膜中磁矩受到自旋轨道矩作用。采用含自旋轨道转矩的扩展LLG方程描述含纵向磁畴壁的纳米线中自旋波的动力学：

方程(1)中，m是磁化强度单位矢量，t为时间，γ为旋磁因子，α为阻尼系数，H_eff为有效磁场。

本实施例中由理论推导揭示电流通过自旋轨道矩对光纤型磁振子波导中自旋波衰减特性的调制作用，给出自旋波衰减长度对电流的依赖关系。

对于图1所示的磁振子波导，为简化计算，将静磁相互作用吸收至垂直各向异性能，则有效磁场可展开为，

其中

μ₀为真空磁导率。对于自旋轨道矩，忽略类场项，仅考虑类阻尼项，即，

T_S＝-γa_Jm×(m×σ) (3)

在关注小振幅自旋波以及线性近似下，可变磁化强度可以展开为一系列平面波，则m可表示为如下形式，

m(x,y,t)＝m^g(y)+m⁰(y)e^-x/Le^i(ωt-kx) (4)

其中ω,k和L分别为自旋波的角频率、波数和衰减长度。选择如下形式的基态磁化构型，

这里

为磁畴壁的厚度。选择如下形式的自旋波激发振幅，

这里激发振幅的三个分量满足如下关系

将式(2)–(4)代入方程(1)，仅考虑沿磁畴壁的自旋波，解相应的方程并经过一系列简化近似，可得，

其中

式中J为下层膜中的调制电流的密度，d_FM为上层膜的厚度，

为普朗克常数，e为基本电荷量，Φ_H为自旋霍尔角，G表征自旋轨道矩的不对称度。

根据方程(5)绘制的不同电流密度下的衰减长度理论值如图2所示。根据图2可以分析得到以下结论：不同频率的曲线呈现出相同的趋势，即在阈值电流密度以下，自旋波衰减长度随电流密度的增加而增加，而在阈值电流密度处变为负值。对于沿+x方向的正电流，自旋轨道矩可放大自旋波；对于沿-x方向的负电流，自旋轨道使自旋波更快地衰减。在阈值电流密度处，阻尼矩刚好被电流施加的自旋轨道矩补偿，使得自旋波以恒定振幅传播。当施加的调制电流的密度高于阈值时，衰减长度取负值，自旋波的振幅随着传输距离增大而不断增大。因此，理论表明电流对光纤型磁振子波导中的自旋波具有调制作用。

图3为不同电流密度下自旋波的二维分布图。图3(a)–(c)表明，在负电流作用下，自旋波衰减增强；图3(c)–(e)表明，在施加正电流时，自旋波衰减被抑制，当电流密度超过阈值后，自旋波振幅随传输距离增大而增大。因此，图3清晰地表明了电流对自旋波振幅的放大作用。

基于上述分析，执行如图4所示的自旋波调制方法，包括以下步骤：

S1.向本实施例中的磁振子波导中的天线施加交变电场，以使磁振子波导中产生自旋波；

S2.将调制电流注入磁振子波导中的下层膜；

S3.通过控制调制电流的方向和密度，调制自旋波的衰减特性。

其中，步骤S3，也就是通过控制调制电流的方向和密度，调制自旋波的衰减特性这一步骤，包括以下至少一个步骤：

S301.控制调制电流的方向为反方向，以使自旋波的振幅随着在波导中的传输距离增大而减小得更快；

S302.控制调制电流的方向为正方向，并控制调制电流的密度低于阈值，以使自旋波的振幅随着在波导中的传输距离增大而减小得更慢；

S303.控制调制电流的方向为正方向，并控制调制电流的密度等于阈值，以使自旋波在波导中以恒定幅度传输；

S304.控制调制电流的方向为正方向，并控制调制电流的密度大于阈值，以使自旋波的振幅随着在波导中的传输距离增大而增大。

通过仿真实验可以确定本实施例中的磁振子波导中沿着条形奈尔畴壁的自旋波出现显著放大的电流密度在10¹⁰Am^-2量级，因此可以将阈值确定为与10¹⁰Am^-2和磁振子波导的尺寸相关的值。10¹⁰Am^-2的电流密度量级比现有技术中的磁振子波导中的相应值低一个数量级，可以极大地降低焦耳热的产生，因此本实施例中的磁振子波导的功耗较低，对散热器件的要求也较低。

步骤S301-S304中，通过控制输入到磁振子波导中的调制电流的方向和密度，可以调制自旋波的振幅，其中步骤S304中可以实现自旋波的振幅的放大，从而改善磁振子波导本身的阻尼引起的自旋波的衰减，能够改善磁振子波导的品质，可以将本实施例中的磁振子波导应用于低功耗要求或者远距离传输要求等的更多的场合。

本实施例中，磁振子波导中的磁畴壁为奈尔磁畴壁，因此能够通过自旋轨道矩放大自旋波的振幅，且磁振子波导中的条形畴壁不被电流破坏，而如果磁振子波导中的磁畴壁为布洛磁畴壁或其它类型的磁畴壁，自旋轨道矩将破坏畴壁的稳定结构，将无法达到本实施例中的技术效果。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (10)

1.一种磁振子波导，其特征在于，包括：

由第一材料制成的上层膜；

由第二材料制成的下层膜；所述上层膜中形成奈尔磁畴壁；

天线；所述天线覆盖所述上层膜和所述下层膜，所述天线与所述上层膜之间由绝缘层隔离；

所述下层膜用于接受注入调制电流；所述天线用于接受施加交变电场。

2.根据权利要求1所述的磁振子波导，其特征在于，所述上层膜与所述下层膜叠合成纳米线结构。

3.根据权利要求2所述的磁振子波导，其特征在于，所述天线垂直于所述纳米线结构，所述天线与所述纳米线结构存在电隔离。

4.根据权利要求3所述的磁振子波导，其特征在于，所述下层膜用于接受注入所述调制电流，电流沿着下层膜的长度方向。

5.根据权利要求2所述的磁振子波导，其特征在于，所述纳米线结构的两端存在阻尼增强区域；所述阻尼增强区域属于所述上层膜的一部分；所述阻尼增强区域的阻尼系数大于所述上层膜的阻尼系数。

6.根据权利要求1-5任一项所述的磁振子波导，其特征在于，所述第一材料为垂直各向异性的铁磁材料，所述第二材料为重金属材料。

7.根据权利要求6所述的磁振子波导，其特征在于，所述铁磁材料和所述重金属材料满足：

交换劲度系数A＝15pJm^-1，手性相互作用常数D＝3.5mJm^-2，磁晶各向异性常数K_u＝0.8MJm^-3，饱和磁化强度M_s＝580kAm^-1，阻尼系数α＝0.015，自旋霍尔角Φ_H＝0.13。

8.根据权利要求6所述的磁振子波导，其特征在于，所述上层膜的长度为2μm，宽度为60nm，厚度为1nm。

9.一种自旋波调制方法，其特征在于，包括：

在如权利要求3-8任一项所述的磁振子波导的上层膜中写入条形奈尔磁畴壁，向天线施加交变电场，以使所述磁振子波导中产生自旋波；

将调制电流注入所述磁振子波导中的下层膜；

通过控制所述调制电流的方向和密度，调制所述自旋波的衰减特性。

10.根据权利要求9所述的自旋波调制方法，其特征在于，所述通过控制所述调制电流的方向和密度，调制所述自旋波的衰减特性，包括以下至少一个步骤：

控制所述调制电流的方向为反方向，以使所述自旋波的振幅随着在所述磁振子波导中的传输距离增大而减小得更快；所述反方向为所述纳米线中右侧指向左侧；

控制所述调制电流的方向为正方向，并控制所述调制电流的密度低于阈值，以使所述自旋波的振幅随着在所述磁振子波导中的传输距离增大而减小得更慢；所述正方向为所述纳米线中左侧指向右侧；

控制所述调制电流的方向为正方向，并控制所述调制电流的密度等于阈值，以使所述自旋波在所述波导中以恒定幅度传输；

控制所述调制电流的方向为正方向，并控制所述调制电流的密度大于阈值，以使所述自旋波的振幅随着在所述波导中的传输距离增大而增大。

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