CN114255798A - 一种基于铁磁斯格明子的多功能赛道设计实验方法 - Google Patents

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舒芸
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Abstract

本发明公开一种基于铁磁斯格明子的多功能赛道设计实验方法，步骤一、利用光刻技术构建赛道，步骤二、磁隧道结的设置，步骤三、AND门和OR门的逻辑运算，步骤四、NOT门的逻辑运算，步骤五、二极管单向传输功能的运算；本发明试验赛道实现了AND门、OR门、NOT门和二极管运算功能一体化，具有多功能性，增加了适用范围，同时本发明的赛道能耗低，结构空间小，便于集成为高密度自旋电子器件，且准确性高，非易失性强，同时通过自旋转移力矩驱动，可主观调控性强，适合推广。

Description

一种基于铁磁斯格明子的多功能赛道设计实验方法
技术领域
本发明涉及斯格明子运算实验技术领域，尤其涉及一种基于铁磁斯格明子的多功能赛道设计实验方法。
背景技术
磁性斯格明子是一种受拓扑保护的磁矩分布,由于其尺寸小和驱动电流密度低等优点,被认为是信息存储的良好载体,引起了广泛的研究，目前对于斯格明子的研究所用的实验赛道功能单一，无法满足多项实验运算需求，通用性差，因此，本发明提出一种基于铁磁斯格明子的多功能赛道设计实验方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种基于铁磁斯格明子的多功能赛道设计实验方法，该基于铁磁斯格明子的多功能赛道设计实验方法试验赛道实现了AND门、OR门、NOT门和二极管功能一体化，具有多功能性，增加了适用范围，同时本发明的赛道能耗低，结构空间小，便于集成为高密度自旋电子器件，且准确性高，非易失性强，同时通过自旋转移力矩驱动，可主观调控性强，适合推广。
为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种基于铁磁斯格明子的多功能赛道设计实验方法，包括以下步骤：
步骤一、构建长度为400nm的CoPt赛道，以稀土永磁材料Nd2Fe14B作为边界构成矩形赛道，并在赛道下端距离赛道左端190nm处和260nm处开设两个大小不同的缺口，190nm处缺口长度为50nm，260nm处缺口长度为10nm；
步骤二、在CoPt赛道边界之间的左端设置两个磁隧道结A、B，右端设置一个磁隧道结C，再在长度为10nm的缺口处设置一个磁隧道结D；
步骤三、以两个磁隧道结A、B为输入端，磁隧道结C为输出端，从输入端分别通入大于jc的电流和小于jc的电流驱动斯格明子进行AND门和OR门的逻辑运算，并在每次完成AND门逻辑运算和OR门逻辑运算后进行清除操作；
步骤四、以磁隧道结A为输入端，磁隧道结D为输出端并在进行操作前在磁隧道结D处钉扎一个斯格明子，从输入端通入小于jc的电流驱动斯格明子进行NOT门逻辑运算，并在每次完成NOT门逻辑运算后进行清除操作；
步骤五、以磁隧道结A和磁隧道结C互为输入和输出端，从输入端通入大于jc的电流驱动斯格明子实现二极管单向传输功能，并在每次完成二极管功能后进行清除操作。
进一步改进在于：所述步骤一中长度为50nm和长度为10nm的缺口处材料与CoPt赛道材料相同，所述步骤一中CoPt赛道是利用光刻技术构建的，所述步骤三、步骤四和步骤五中输入端采用局部垂直注入自旋极化电流产生斯格明子，再利用自旋转移力矩驱动斯格明子。
进一步改进在于：所述步骤三、步骤四和步骤五中jc表示临界电流密度，清除操作具体为在每次运算后通入大脉冲电流将赛道上的斯格明子清除。
进一步改进在于：所述步骤三、步骤四和步骤五中将通入电流后产生斯格明子记为“1”，不产生斯格明子记为“0”，斯格明子在电流作用下的马格努斯力垂直于电流方向记为G，赛道边界对斯格明子的排斥力记为g，斯格明子采用各向异性磁阻效应进行检测。
进一步改进在于：步骤三中AND门和OR门的逻辑运算具体包括
S1、磁隧道结A输入“1”，磁隧道结B输入“0”，通入小于jc的电流，G小于g，斯格明子运动到50nm长度的缺口处会被钉扎，输出端磁隧道结C检测不到斯格明子，完成AND门的逻辑运算并进行清除操作，即“1*0＝0”；
通入大于jc的电流，G抵消g，斯格明子运动到50nm长度的缺口处会顺利通过，输出端磁隧道结C检测到斯格明子，完成OR门的逻辑运算并进行清除操作，即“1+0＝1”；
S2、磁隧道结A输入“0”，磁隧道结B输入“1”，通入小于jc的电流，G小于g，斯格明子运动到50nm长度的缺口处会被钉扎，输出端磁隧道结C检测不到斯格明子，完成AND门的逻辑运算并进行清除操作，即“0*1＝0”；
通入大于jc的电流，G抵消g，斯格明子运动到50nm长度的缺口处会顺利通过，输出端磁隧道结C检测到斯格明子，完成OR门的逻辑运算并进行清除操作，即“0+1＝1”；
S3、磁隧道结A和B均输入“1”，通入小于jc的电流，斯格明子运动到50nm长度的缺口处，斯格明子之间的排斥力将磁隧道结B的斯格明子推过缺口，磁隧道结A的斯格明子则被钉扎，输出端磁隧道结C检测到斯格明子，完成AND门的逻辑运算并进行清除操作，即“1*1＝1”；
通入大于jc的电流，斯格明子运动到50nm长度的缺口处均能顺利通过，输出端磁隧道结C检测到斯格明子，完成OR门的逻辑运算并进行清除操作，即“1+1＝1”；
S4、磁隧道结A和B均输入“0”，通入小于jc的电流和通入大于jc的电流，输出端磁隧道结C都检测不到斯格明子，完成AND门的逻辑运算和OR门的逻辑运算并进行清除操作，即“0*0＝0”、“0+0＝0”。
进一步改进在于：步骤四中NOT门的逻辑运算具体包括
S1、磁隧道结A输入“1”，通入小于jc的电流，输入的斯格明子运动到50nm长度的缺口处，由于排斥力会将磁隧道结D处钉扎的一个斯格明子推走同时输入的斯格明子被钉扎在50nm长度的缺口处，输出端磁隧道结D检测不到斯格明子，完成NOT门的逻辑运算并进行清除操作，即输入“1”输出“0”；
S2、磁隧道结A输入“0”，没有斯格明子输入将磁隧道结D处钉扎的一个斯格明子推走，输出端磁隧道结D检测到斯格明子，完成NOT门的逻辑运算并进行清除操作，即输入“0”输出“1”。
进一步改进在于：步骤五中二极管单向传输功能具体包括
S1、磁隧道结A作为输入端并输入“1”，磁隧道结C作为输出，通入大于jc的电流，斯格明子运动到50nm长度的缺口处顺利通过，输出端磁隧道结C检测到斯格明子，完成二极管单向从左到右传输的功能并进行清除操作，即输入“1”输出“1”；
S2、磁隧道结C作为输入端并输入“1”，磁隧道结A作为输出端，斯格明子自右向左运动，与自左向右产生的G的方向相反，G与g方向都向下，通入密度较小的反向电流，斯格明子运动到10nm长度的缺口处会被钉扎，通入密度较大的反向电流，运动到50nm长度的缺口处会湮灭或被钉扎，输出端磁隧道结A检测不到斯格明子，完成二极管不能从右到左传输的功能并进行清除操作，即输入“1”输出“0”，由S1和S2共同实现二极管单向传输功能。
本发明的有益效果为：本发明的试验赛道实现了AND门、OR门、NOT门和二极管运算功能一体化，具有多功能性，增加了适用范围，同时本发明的赛道能耗低，结构空间小，便于集成为高密度自旋电子器件，且准确性高，非易失性强，同时通过自旋转移力矩驱动，可主观调控性强，适合推广。
附图说明
图1为本发明实施例一实验流程图。
图2为本发明实施例一赛道架构图。
图3为本发明实施例二AND门和OR门的逻辑运算模拟结果图。
图4为本发明实施例二NOT门的逻辑运算模拟结果图。
图5为本发明实施例二二极管单向传输功能模拟结果图。
图6为本发明实施例二赛道立体结构图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
实施例一
根据图1、图2所示，本实施例提供了一种基于铁磁斯格明子的多功能赛道设计实验方法，包括以下步骤：
步骤一、利用光刻技术构建长度为400nm的CoPt赛道，以稀土永磁材料Nd2Fe14B作为边界构成矩形赛道，并在赛道下端距离赛道左端190nm处和260nm处开设两个大小不同的缺口，190nm处缺口长度为50nm，260nm处缺口长度为10nm；
其中中长度为50nm和长度为10nm的缺口处材料与CoPt赛道材料相同；
步骤二、在CoPt赛道边界之间的左端设置两个磁隧道结A、B，右端设置一个磁隧道结C，再在长度为10nm的缺口处设置一个磁隧道结D；
输入端采用局部垂直注入自旋极化电流产生斯格明子，再利用自旋转移力矩驱动斯格明子，将通入电流后产生斯格明子记为“1”，不产生斯格明子记为“0”，斯格明子在电流作用下的马格努斯力垂直于电流方向记为G，赛道边界对斯格明子的排斥力记为g，斯格明子采用各向异性磁阻效应进行检测；
步骤三、以两个磁隧道结A、B为输入端，磁隧道结C为输出端，从输入端分别通入大于jc的电流和小于jc的电流驱动斯格明子进行AND门和OR门的逻辑运算，jc表示临界电流密度；
具体包括
S1、磁隧道结A输入“1”，磁隧道结B输入“0”，通入小于jc的电流，G小于g，斯格明子运动到50nm长度的缺口处会被钉扎，输出端磁隧道结C检测不到斯格明子，完成AND门的逻辑运算并通入大脉冲电流将赛道上的斯格明子清除，即“1*0＝0”；
通入大于jc的电流，G抵消g，斯格明子运动到50nm长度的缺口处会顺利通过，输出端磁隧道结C检测到斯格明子，完成OR门的逻辑运算并通入大脉冲电流将赛道上的斯格明子清除，即“1+0＝1”；
S2、磁隧道结A输入“0”，磁隧道结B输入“1”，通入小于jc的电流，G小于g，斯格明子运动到50nm长度的缺口处会被钉扎，输出端磁隧道结C检测不到斯格明子，完成AND门的逻辑运算并通入大脉冲电流将赛道上的斯格明子清除，即“0*1＝0”；
通入大于jc的电流，G抵消g，斯格明子运动到50nm长度的缺口处会顺利通过，输出端磁隧道结C检测到斯格明子，完成OR门的逻辑运算并通入大脉冲电流将赛道上的斯格明子清除，即“0+1＝1”；
S3、磁隧道结A和B均输入“1”，通入小于jc的电流，斯格明子运动到50nm长度的缺口处，斯格明子之间的排斥力将磁隧道结B的斯格明子推过缺口，磁隧道结A的斯格明子则被钉扎，输出端磁隧道结C检测到斯格明子，完成AND门的逻辑运算并通入大脉冲电流将赛道上的斯格明子清除，即“1*1＝1”；
通入大于jc的电流，斯格明子运动到50nm长度的缺口处均能顺利通过，输出端磁隧道结C检测到斯格明子，完成OR门的逻辑运算并通入大脉冲电流将赛道上的斯格明子清除，即“1+1＝1”；
S4、磁隧道结A和B均输入“0”，通入小于jc的电流和通入大于jc的电流，输出端磁隧道结C都检测不到斯格明子，完成AND门的逻辑运算和OR门的逻辑运算并通入大脉冲电流将赛道上的斯格明子清除，即“0*0＝0”、“0+0＝0”；
步骤四、以磁隧道结A为输入端，磁隧道结D为输出端并在进行操作前在磁隧道结D处钉扎一个斯格明子，在输入端通入小于jc的电流驱动斯格明子进行NOT门逻辑运算；
具体包括
S1、磁隧道结A输入“1”，通入小于jc的电流，输入的斯格明子运动到50nm长度的缺口处，由于排斥力会将磁隧道结D处钉扎的一个斯格明子推走同时输入的斯格明子被钉扎在50nm长度的缺口处，输出端磁隧道结D检测不到斯格明子，完成NOT门的逻辑运算并通入大脉冲电流将赛道上的斯格明子清除，即输入“1”输出“0”；
S2、磁隧道结A输入“0”，没有斯格明子输入将磁隧道结D处钉扎的一个斯格明子推走，输出端磁隧道结D检测到斯格明子，完成NOT门的逻辑运算并通入大脉冲电流将赛道上的斯格明子清除，即输入“0”输出“1”；
步骤五、以磁隧道结A和磁隧道结C互为输入和输出端，在输入端通入大于jc的电流驱动斯格明子进行二极管单向传输功能；
具体包括
S1、磁隧道结A作为输入端并输入“1”，磁隧道结C作为输出端，通入大于jc的电流，斯格明子运动到50nm长度的缺口处顺利通过，输出端磁隧道结C检测到斯格明子，完成二极管单向从左到右传输的功能并通入大脉冲电流将赛道上的斯格明子清除，即输入“1”输出“1”；
S2、磁隧道结C作为输入端并输入“1”，磁隧道结A作为输出端，斯格明子自右向左运动，与自左向右产生的G的方向相反，G与g方向都向下，通入密度较小的反向电流，斯格明子运动到10nm长度的缺口处会被钉扎，通入密度较大的反向电流，运动到50nm长度的缺口处会湮灭或被钉扎，输出端磁隧道结A检测不到斯格明子，完成二极管不能从右到左传输的功能并通入大脉冲电流将赛道上的斯格明子清除，即输入“1”输出“0”，由S1和S2共同实现二极管单向传输功能。
实施例二
根据图3、图4、图5、图6所示，本实施例提供了一种基于铁磁斯格明子的多功能赛道设计实验方法，如说明书附图2中a和b所示为AND门的逻辑运算，通入2.0×1010A/m2的电流得到的模拟结果，说明书附图2中c和d所示为OR门的逻辑运算，通入2.4×1010A/m2的电流得到的模拟结果.
如说明书附图3中所示为NOT门的逻辑运算，通入1.6×1010A/m2的电流得到的模拟结果。
如说明书附图4中所示为二极管单向传输的逻辑运算，通入2.4×1010A/m2的电流得到的模拟结果。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于铁磁斯格明子的多功能赛道设计实验方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、构建长度为400nm的CoPt赛道，以稀土永磁材料Nd2Fe14B作为边界构成矩形赛道，并在赛道下端距离赛道左端190nm处和260nm处开设两个大小不同的缺口，190nm处缺口长度为50nm，260nm处缺口长度为10nm；
步骤二、在CoPt赛道边界之间的左端设置两个磁隧道结A、B，右端设置一个磁隧道结C，再在长度为10nm的缺口处设置一个磁隧道结D；
步骤三、以两个磁隧道结A、B为输入端，磁隧道结C为输出端，从输入端分别通入大于jc的电流和小于jc的电流驱动斯格明子进行AND门和OR门的逻辑运算，并在每次完成AND门逻辑运算和OR门逻辑运算后进行清除操作；
步骤四、以磁隧道结A为输入端，磁隧道结D为输出端并在进行操作前在磁隧道结D处钉扎一个斯格明子，从输入端通入小于jc的电流驱动斯格明子进行NOT门逻辑运算，并在每次完成NOT门逻辑运算后进行清除操作；
步骤五、以磁隧道结A和磁隧道结C互为输入和输出端，从输入端通入大于jc的电流驱动斯格明子实现二极管单向传输功能，并在每次完成二极管功能后进行清除操作。
2.根据权利要求1所述的一种基于铁磁斯格明子的多功能赛道设计实验方法，其特征在于：所述步骤一中长度为50nm和长度为10nm的缺口处材料与CoPt赛道材料相同，所述步骤一中CoPt赛道是利用光刻技术构建的，所述步骤三、步骤四和步骤五中输入端采用局部垂直注入自旋极化电流产生斯格明子，再利用自旋转移力矩驱动斯格明子。
3.根据权利要求1所述的一种基于铁磁斯格明子的多功能赛道设计实验方法，其特征在于：所述步骤三、步骤四和步骤五中jc表示临界电流密度，清除操作具体为在每次运算后通入大脉冲电流将赛道上的斯格明子清除。
4.根据权利要求1所述的一种基于铁磁斯格明子的多功能赛道设计实验方法，其特征在于：所述步骤三、步骤四和步骤五中将通入电流后产生斯格明子记为“1”，不产生斯格明子记为“0”，斯格明子在电流作用下的马格努斯力垂直于电流方向记为G，赛道边界对斯格明子的排斥力记为g，斯格明子采用各向异性磁阻效应进行检测。
5.根据权利要求4所述的一种基于铁磁斯格明子的多功能赛道设计实验方法，其特征在于：步骤三中AND门和OR门的逻辑运算具体包括
S1、磁隧道结A输入“1”，磁隧道结B输入“0”，通入小于jc的电流，G小于g，斯格明子运动到50nm长度的缺口处会被钉扎，输出端磁隧道结C检测不到斯格明子，完成AND门的逻辑运算并进行清除操作，即“1*0＝0”；
通入大于jc的电流，G抵消g，斯格明子运动到50nm长度的缺口处会顺利通过，输出端磁隧道结C检测到斯格明子，完成OR门的逻辑运算并进行清除操作，即“1+0＝1”；
S2、磁隧道结A输入“0”，磁隧道结B输入“1”，通入小于jc的电流，G小于g，斯格明子运动到50nm长度的缺口处会被钉扎，输出端磁隧道结C检测不到斯格明子，完成AND门的逻辑运算并进行清除操作，即“0*1＝0”；
通入大于jc的电流，G抵消g，斯格明子运动到50nm长度的缺口处会顺利通过，输出端磁隧道结C检测到斯格明子，完成OR门的逻辑运算并进行清除操作，即“0+1＝1”；
S3、磁隧道结A和B均输入“1”，通入小于jc的电流，斯格明子运动到50nm长度的缺口处，斯格明子之间的排斥力将磁隧道结B的斯格明子推过缺口，磁隧道结A的斯格明子则被钉扎，输出端磁隧道结C检测到斯格明子，完成AND门的逻辑运算并进行清除操作，即“1*1＝1”；
通入大于jc的电流，斯格明子运动到50nm长度的缺口处均能顺利通过，输出端磁隧道结C检测到斯格明子，完成OR门的逻辑运算并进行清除操作，即“1+1＝1”；
S4、磁隧道结A和B均输入“0”，通入小于jc的电流和通入大于jc的电流，输出端磁隧道结C都检测不到斯格明子，完成AND门的逻辑运算和OR门的逻辑运算并进行清除操作，即“0*0＝0”、“0+0＝0”。
6.根据权利要求4所述的一种基于铁磁斯格明子的多功能赛道设计实验方法，其特征在于：步骤四中NOT门的逻辑运算具体包括
S1、磁隧道结A输入“1”，通入小于jc的电流，输入的斯格明子运动到50nm长度的缺口处，由于排斥力会将磁隧道结D处钉扎的一个斯格明子推走同时输入的斯格明子被钉扎在50nm长度的缺口处，输出端磁隧道结D检测不到斯格明子，完成NOT门的逻辑运算并进行清除操作，即输入“1”输出“0”；
S2、磁隧道结A输入“0”，没有斯格明子输入将磁隧道结D处钉扎的一个斯格明子推走，输出端磁隧道结D检测到斯格明子，完成NOT门的逻辑运算并进行清除操作，即输入“0”输出“1”。
7.根据权利要求4所述的一种基于铁磁斯格明子的多功能赛道设计实验方法，其特征在于：步骤五中二极管单向传输功能具体包括
S1、磁隧道结A作为输入端并输入“1”，磁隧道结C作为输出端，通入大于jc的电流，斯格明子运动到50nm长度的缺口处顺利通过，输出端磁隧道结C检测到斯格明子，完成二极管单向从左到右传输的功能并进行清除操作，即输入“1”输出“1”；
S2、磁隧道结C作为输入端并输入“1”，磁隧道结A作为输出端，斯格明子自右向左运动，与自左向右产生的G的方向相反，G与g方向都向下，通入密度较小的反向电流，斯格明子运动到10nm长度的缺口处会被钉扎，通入密度较大的反向电流，斯格明子运动到50nm长度的缺口处会湮灭或被钉扎，输出端磁隧道结A检测不到斯格明子，完成二极管不能从右到左传输的功能并进行清除操作，即输入“1”输出“0”，由S1和S2共同实现二极管单向传输功能。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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