DE102009021400A1

DE102009021400A1 - Magnetoelektronische Bauelemente und Messverfahren

Info

Publication number: DE102009021400A1
Application number: DE102009021400A
Authority: DE
Inventors: Riccardo Dr. Hertel; Ming Dr. Yan
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2009-05-14
Filing date: 2009-05-14
Publication date: 2010-11-18
Also published as: US9634236B2; CN102439745B; CN102439745A; WO2010130240A1; US20120098534A1; JP5624609B2; EP2430675A1; JP2012527098A

Abstract

Die erfindungsgemäßen magnetoelektronischen Bauelemente umfassen mindestens eine längliche Arbeitsstruktur aus einem ferromagnetischen Material, entlang der magnetischen Domänenwände wandern können, Mittel zur Beaufschlagung dieser Arbeitsstruktur mit einem elektrischen Strom sowie mindestens einen Magnetfeldsensor für das von der Arbeitsstruktur ausgehende Magnetfeld. Erfindungsgemäß ist die Arbeitsstruktur derart ausgestaltet, dass sie Domänenwände, deren transversale Magnetisierungsrichtung in ihrer Mitte keine Vorzugsrichtung in der Ebene senkrecht zu ihrer Wanderungsrichtung entlang der Arbeitsstruktur aufweist, und/oder masselose Domänenwände auszubilden vermag. Es wurde erkannt, dass die kinetische Energie derartiger bewegter Domänenwände verschwindet. Sie unterliegen daher weder dem Walker-Limit noch dem intrinsischen Pinning. Dadurch können die Bauelemente Informationen schneller einlesen, speichern oder verarbeiten und schließlich ausgeben. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Messung des nicht-adiabatischen Spinntransferparameters β eines ferromagnetischen Materials. Dieses Verfahren wurde im Zuge einer genaueren Untersuchung der erkannten Phänomene entwickelt.

Description

Die Erfindung betrifft magnetoelektronische Bauelemente und ein Messverfahren, für dessen Durchführung diese Bauelemente einsetzbar sind.
Stand der Technik
Magnetische Schieberegister, auch bekannt als „race track memory”, sind magnetische Speicher, die die Robustheit von Flash-Speichern, die Geschwindigkeit von DRAM-Speichern sowie die Reversibilität und Nichtflüchtigkeit von Festplatten miteinander kombinieren. Ein solches Schieberegister ist aus (S. S. P. Parkin, M. Hayashi, L. Thomas, „Magnetic Domain-Wall Racetrack Memory", Science 320, 190 (2008)) bekannt. In längliche, ferromagnetische Speicherstrukturen werden Magnetisierungswechsel und damit Domänenwände eingebracht, die die Speicherstrukturen der Länge nach durchwandern. Dabei wird ein Effekt ausgenutzt, der als Spin-Transfer-Effekt bekannt ist und der zur Folge hat, dass magnetische Domänenwände in dünnen Speicherstrukturen durch das Anlegen elektrischer Ströme kontrolliert entlang dieser Speicherstrukturen verschoben werden können. Digitale Daten sind, wie auf Festplatten üblich, in den Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Domänenwänden einkodiert.
Mobile Domänenwände spielen nicht nur bei der Speicherung, sondern auch bei der Verarbeitung von Informationen eine Rolle. Aus (D. A. Allwood, G. Xiong, C. C. Faulkner, D. Atkinson, D. Petit, R. P. Cowbum, „Magnetic Domain Wall Logic", Science 309, 1688 (2005)) sind logische Elemente bekannt, die verschiebbare Domänenwände als Informationseinheiten verarbeiten. Domänenwände wurden in (R. Hertel, W. Wulfhekel, J. Kirschner, „Domain-wall induced Phase shift in Spin Waves", Physical Review Letters 93, 257202 (2004)) als Informationseinheiten in logischen Elementen vorgeschlagen, die auf der Ausbreitung von Spinwellen entlang dünner magnetischer Streifen basieren.
Grundvoraussetzung für die Funktion der oben genannten Elemente ist die schnelle und kontrollierte Bewegung von Domänenwänden entlang dünner magnetischer Streifen. Nachteilig ist jedoch die Geschwindigkeit, mit der die Domänenwände in den Speicherstrukturen bzw. in den logischen Elementen wandern können, durch das Walker-Limit auf wenige 100 m/s begrenzt (N. L. Schryer, L. R. Walker, „The motion of 180° domain Walls in uniform dc magnetic fields", Journal of Applied Physics 45, 5406 (1974)). Oberhalb der durch das Walker-Limit gegebenen Maximalgeschwindigkeit finden zyklische, strukturelle Änderungen der Magnetisierung in den Domänenwänden statt, wodurch die Integrität der gespeicherten bzw. verarbeiteten Information gefährdet wird und die Geschwindigkeit der Speicherung bzw. Verarbeitung drastisch reduziert wird (M. Kläui, P.-O. Jubert, R. Allenspach, A. Bischof, J. A. C. Bland, G. Faini, U. Rüdiger, C. A. F. Vaz, L. Vita, C. Vouille, „Direct observation of domain-wall configurations transformed by spin currents", Physical Review Letters 95, 026601 (2005)).
Aufgabe und Lösung
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein magnetoelektronisches Bauelement zur Verfügung zu stellen, das Informationen schneller einlesen, speichern oder verarbeiten und schließlich ausgeben kann als dies nach dem Stand der Technik bislang möglich war. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Bestimmung des für solche Arbeitsstrukturen technisch bedeutsamen nicht-adiabatischen Spintransferparameters β gegenüber dem Stand der Technik zu vereinfachen.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch magnetoelektronische Bauelemente gemäß Haupt- und Nebenanspruch sowie durch ein Verfahren gemäß weiterem Nebenanspruch, bei dem diese Bauelemente einsetzbar sind. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen.
Gegenstand der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde ein magnetoelektronisches Bauelement entwickelt. Dieses Bauelement umfasst mindestens eine längliche Arbeitsstruktur aus einem ferromagnetischen Material, entlang der magnetische Domänenwände wandern können, Mittel zur Beaufschlagung dieser Arbeitsstruktur mit einem elektrischen Strom sowie mindestens einen Magnetfeldsensor für das von der Arbeitsstruktur ausgehende Magnetfeld.
Unter einer länglichen Struktur wird insbesondere eine Struktur mit einem Durchmesser-Länge-Verhältnis von weniger als 1:5, bevorzugt von weniger als 1:10 und ganz besonders bevorzugt von weniger als 1:20 verstanden. Beispiele für längliche Strukturen sind Drähte und hier insbesondere Nanodrähte.
Erfindungsgemäß ist die Arbeitsstruktur derart ausgestaltet, dass sie Domänenwände auszubilden vermag, deren transversale Magnetisierungsrichtung in ihrer Mitte keine Vorzugsrichtung in der Ebene senkrecht zu ihrer Wanderungsrichtung entlang der Arbeitsstruktur aufweist.
Es wurde erkannt, dass gerade die Existenz einer solchen Vorzugsrichtung eine physikalische Ursache dafür darstellt, dass die Wanderungsgeschwindigkeit von Domänenwänden entlang der Arbeitsstruktur dem Walker-Limit unterliegt. Existiert eine Vorzugsrichtung, so ist jeder transversalen Magnetisierungsrichtung einer Domänenwand eine potentielle Energie in Bezug auf diese Vorzugsrichtung zugeordnet. Diese Energie ist umso größer, je weiter die tatsächliche transversale Magnetisierungsrichtung von der Vorzugsrichtung entfernt ist.
Es wurde außerdem erkannt, dass im Fall einer bewegten Domänenwand die Energie, die in der Abweichung ihrer transversalen Magnetisierungsrichtung von einer hierfür vorhandenen Vorzugsrichtung steckt, von der Geschwindigkeit der Bewegung abhängt. Die Magnetisierungsrichtung richtet sich im Gleichgewicht entlang der Vorzugsrichtung aus, um die potentielle Energie zu minimieren.
Wenn die Domänenwand durch eine äußere Einwirkung entlang der Arbeitsstruktur bewegt wird, wird dieses energetische Gleichgewicht gestört. Es wirken dabei Drehmomente auf die Magnetisierung, die eine Fehlausrichtung der Domänenwand gegenüber der Vorzugsrichtung verursachen. Es besteht somit ständig eine potentielle Energie gegenüber dieser Vorzugsrichtung. Diese potentielle Energie, die der Bewegung zuzuordnen ist, wird teilweise in Austauschenergie umgewandelt, d. h., die Inhomogenität der Magnetisierung in der Arbeitsstruktur nimmt zu, wenn Domänenwände schneller durch die Arbeitsstruktur bewegt werden. Der durch die Dynamik der Domänenwand verursachte Anstieg von potentieller Energie und Austauschenergie kann formal als kinetische Energie aufgefasst werden.
Überschreitet die kinetische Energie eine kritische Grenze, so verändert sich die Magnetisierung in der Arbeitsstruktur soweit, dass die mikromagnetische Struktur der Domänenwände zusammenbricht und die akkumulierte Energie durch Spinwellen freigesetzt wird. Es werden dabei magnetische Wirbel erzeugt und/oder vernichtet. In jedem Fall ist damit eine signifikante Veränderung der Struktur der Domänenwand gegenüber dem Gleichgewichtsfall verbunden.
Indem nun die Arbeitsstruktur so ausgestaltet wird, dass eine Vorzugsrichtung nicht existiert, entfällt diese der Bewegung von Domänenwänden zugeordnete kinetische Energie. Damit ist diese kein begrenzender Faktor mehr für die Wanderungsgeschwindigkeit entlang der Arbeitsstruktur. Für die Anwendung im magnetoelektronischen Bauelement bedeutet dies, dass es Informationen wesentlich schneller aufnehmen, verarbeiten oder speichern und schließlich wieder ausgeben kann als die aus dem Stand der Technik bekannten magnetoelektronischen Bauelemente.
Welche Art von Domänenwand sich zwischen aneinander angrenzenden Bereichen der Arbeitsstruktur mit unterschiedlichen Magnetisierungen bildet, ist durch die Form, die innere Struktur und das Material der Arbeitsstruktur festgelegt. Die durch diese Parameter festgelegten Anisotropien und magnetischen Potentiallandschaften legen den Zustand minimaler Energie an der Grenze zwischen den unterschiedlich magnetisierten Bereichen fest. Damit liegen Typ und Struktur der Domänenwand fest, die sich an dieser Grenze bildet.
Für ein tiefergehendes physikalisches Verständnis der erkannten Effekte greifen die Erfinder im Folgenden auf einen 1948 von Döring (W. Döring, Zeitschrift für Naturforschung 3a, 373 (1948)) eingeführten Formalismus zurück, der Domänenwänden auf Grund der Tatsache, dass bewegte Domänenwände sich gegenüber ruhenden verändern und ihr Energiezuwachs dabei proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit ist, eine kinetische Energie und eine Masse zuordnet. Der Begriff einer massebehafteten Domänenwand wird dabei in der Weise verallgemeinert, dass einer bewegten Domänenwand bei jedem Anstieg der Energie gegenüber einer ruhenden Domänenwand eine Masse zugeordnet wird und nicht nur, wenn die Energie mit dem Quadrat der Geschwindigkeit ansteigt.
Auch im Rahmen dieses Formalismus umfasst das von den Erfindern entwickelte magnetoelektronische Bauelement mindestens eine längliche Arbeitsstruktur aus einem ferromagnetischen Material, entlang der magnetische Domänenwände wandern können, Mittel zur Beaufschlagung dieser Arbeitsstruktur mit einem elektrischen Strom sowie mindestens einen Magnetfeldsensor für das von der Arbeitsstruktur ausgehende Magnetfeld.
Erfindungsgemäß ist die Arbeitsstruktur nun derart ausgestaltet, dass sie masselose Domänenwände auszubilden vermag.
Es wurde erkannt, dass die als Walker-Limit bekannte Beschränkung der Geschwindigkeit von Domänenwänden in der Arbeitsstruktur auf typischerweise wenige 100 m/s aus der Masse der Domänenwände folgt. Die Erfinder werten die bekannte Tatsache, dass entlang dünner magnetischer Streifen bewegte Domänenwände Impuls und Trägheit und somit eine teilchenartige Dynamik zeigen, als Beleg dafür, dass die Masse von Domänenwänden keine mathematische Abstraktion, sondern Ursache messbarer Effekte ist. Sie haben erkannt, dass die Masse von Domänenwänden auch ursächlich für das Bestehen des Walker-Limits für die Wanderungsgeschwindigkeit von Domänenwänden ist. Die physikalische Verbindung zwischen dem Walker-Limit und der Masse von Domänenwänden liegt in der dynamischen Veränderung der Domänenwandstrukturen während ihrer Bewegung und der damit verbundenen Steigerung ihrer Energiedichte begründet. Die Energiedichte steigt solange an, bis die mikromagnetische Struktur zusammenbricht. Das Walker-Limit ist also an das Vorhandensein einer kinetischen Energie geknüpft. Eine bewegte massebehaftete Domänenwand hat unweigerlich eine kinetische Energie und unterliegt damit dem Walker-Limit.
Es wurde daher erkannt, dass die kinetische Energie bewegter masseloser Domänenwände verschwindet. Masselose Domänenwände zeigen daher ein dynamisches Verhalten, das sich besonders vorteilhaft für ein magnetoelektronisches Bauelement nutzen lässt. Masselose Domänenwände unterliegen nicht dem Walker-Limit und können sich daher wesentlich schneller ausbreiten als massebehaftete Domänenwände. Da auch das intrinsische Pinning von Domänenwänden durch deren Masse verursacht wird, unterliegen masselose Domänenwände auch diesem Pinning und den damit verbundenen weiteren Einschränkungen der Dynamik nicht. Masselose Domänenwände wandern mit einer Geschwindigkeit durch die Arbeitsstruktur, die im Wesentlichen linear von der Stromdichte in der Arbeitsstruktur abhängt. Für die Anwendung im magnetoelektronischen Bauelement bedeutet dies, dass es Informationen wesentlich schneller aufnehmen, verarbeiten oder speichern und schließlich wieder ausgeben kann, als die aus dem Stand der Technik bekannten magnetoelektronischen Bauelemente.
Für masselose Domänenwände verschwindet außerdem der kritische Strom, der erforderlich ist, um ihre Bewegung durch die Arbeitsstruktur zu initiieren. Nach dem Stand der Technik waren hohe Werte für diesen kritischen Strom ein weiteres Hindernis auf dem Weg zur An wendungsreife für gattungsgemäße magnetoelektronische Bauelemente. Die technische Schwierigkeit bestand bislang darin, dass Ströme nur bis zu einer bestimmten Stromstärke durch dünne Arbeitsstrukturen fließen können, ohne diese zu zerstören. Da andererseits mindestens eine kritische Stromstärke erforderlich war, um Domänenwände überhaupt verschieben zu können, war der technisch nutzbare Bereich von Stromstärken insgesamt stark eingeschränkt. Die Arbeitsstrukturen wurden unnötig aufgeheizt, und damit wurde der insbesondere in batteriebetriebenen mobilen Anwendungen knappe Strom verschwendet.
Wie im speziellen Beschreibungsteil ausgeführt ist, haben die Erfinder durch analytische Rechnungen und mikromagnetische Finite-Elemente-Simulationen belegt, dass in einer mindestens abschnittsweise zylindrisch ausgebildeten Arbeitsstruktur masselose Domänenwände existieren. Dies ist der erste Nachweis überhaupt, dass masselose Domänenwände in einer konkreten Struktur existieren. Nach dem bisherigen Kenntnisstand in der Fachwelt waren masselose Domänenwände lediglich eine Idealvorstellung im Rahmen des oben beschriebenen Konzepts massebehafteter Domänenwände. Der durch die Erfinder geführte Nachweis erschöpft sich daher nicht darin, lediglich ein konkretes Beispiel für eine Arbeitsstruktur bereitzustellen, die masselose Domänenwände auszubilden vermag. Hierin steckt vielmehr die allgemeine technische Lehre, dass masselose Domänenwände überhaupt für die Magnetoelektronik praktisch einsetzbar sind.
Der Fachmann ist in der Regel vor die Aufgabe gestellt, eine Arbeitsstruktur unter Beachtung konkret angegebener Randbedingungen herzustellen. Diese Randbedingungen folgen insbesondere aus dem konkreten Verwendungszweck des Bauelements sowie den Spezifikationen für den Ort in einer komplexeren Schaltung, an dem das Bauelement eingesetzt werden soll. Ausgestattet mit obiger allgemeiner technischer Lehre kann er die von den Erfindern für den am konkreten Beispiel geführten Nachweis verwendeten und im speziellen Beschreibungsteil angegebenen Mittel auch auf Systeme anwenden, die den ihm vorgegebenen Randbedingungen genügen. Damit kann er aus der Klasse aller den Randbedingungen genügenden Systemen diejenigen auffinden, die masselose Domänenwände auszubilden vermögen bzw. die Domänenwände auszubilden vermögen, deren transversale Magnetisierungsrichtung in ihrer Mitte keine Vorzugsrichtung in der Ebene senkrecht zu ihrer Wanderungsrichtung entlang der Arbeitsstruktur aufweist. Eine durch bestimmte Vorgaben gekennzeichnete Arbeitsstruktur um diese zusätzlichen vorteilhaften Eigenschaften anzureichern ist durch die von den Erfindern gegebene Offenbarung ein dem Fachmann zugänglicher weiterer Konstruktionsschritt geworden.
Damit ist die Lehre der unabhängigen Vorrichtungsansprüche für den Fachmann ausführbar.
Masselose Domänenwände bzw. Domänenwände, deren transversale Magnetisierungsrichtung in ihrer Mitte keine Vorzugsrichtung in der Ebene senkrecht zu ihrer Wanderungsrichtung entlang der Arbeitsstruktur aufweist, können insbesondere frontale Domänenwände sein. Dies sind Domänenwände, in denen die Magnetisierung entlang der Wanderungsrichtung durch die Arbeitsstruktur um 180° dreht, wobei die Wände zwei Bereiche der Arbeitsstruktur trennen, die jeweils entgegengesetzt magnetisiert sind. Dabei können diese Bereiche, insbesondere entlang bzw. entgegen der Wanderungsrichtung der Domänenwände, durch die Arbeitsstruktur magnetisiert sein.
Masselose Domänenwände bzw. Domänenwände, deren transversale Magnetisierungsrichtung in ihrer Mitte keine Vorzugsrichtung in der Ebene senkrecht zu ihrer Wanderungsrichtung entlang der Arbeitsstruktur aufweist, können insbesondere transversale Domänenwände sein. Dann ist die Magnetisierung der Arbeitsstruktur entlang jedes Querschnitts senkrecht zur Wanderungsrichtung der Domänenwände im Wesentlichen homogen. Die mikromagnetische Struktur hängt dann nur von der Position entlang der Arbeitsstruktur und nicht vom Abstand zur Mitte der Domänenwand ab.
Der elektrische Strom, der von den entsprechenden Mitteln in die Arbeitsstruktur eingebracht werden kann, ist die treibende Kraft für die Wanderung der Domänenwände entlang der Arbeitsstruktur. Durch geeignete Strompulse können zugleich Magnetisierungswechsel und damit die Domänenwände selbst im Material der Arbeitsstruktur erzeugt werden. Die Magnetisierungswechsel können alternativ aber auch durch ein lokales Magnetfeld und/oder durch ein rotierendes Magnetfeld in die Arbeitsstruktur eingebracht werden. Des Weiteren kann anstatt eines elektrischen Stroms ein rotierendes Magnetfeld verwendet werden, um die Domänenwände entlang der Arbeitsstruktur zusätzlich voranzutreiben. Dieser Vortrieb ist allerdings deutlich schwächer als der durch den elektrischen Strom erzielbare Vortrieb.
Somit sind in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung Mittel zur Beaufschlagung der Arbeitsstruktur mit einem, insbesondere rotierenden und/oder lokalen, Magnetfeld vorgesehen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Arbeitsstruktur keine effektive Anisotropie senkrecht zur Wanderungsrichtung der Domänenwände entlang der Arbeitsstruktur auf. Eine solche Arbeitsstruktur lässt sich beispielsweise in Form einer Struktur mit einer solchen Symmetrie realisieren, bei der die Komponente der Formanisotropie senkrecht zur Wanderungsrichtung der Domänenwände verschwindet. Die Domänenwände können diese Arbeitsstruktur, insbesondere entlang ihrer Symmetrieachse, durchwandern.
Die Struktur besteht dann vorteilhaft aus einem ferromagnetischen Material, das selbst keine kristalline Anisotropie aufweist. Ein solches Material kann beispielsweise amorph sein und etwa aus einer großen Anzahl kleiner und zufällig orientierter Kristallite bestehen, so dass die kristalline Anisotropie sich im Mittel nicht mehr auswirkt. Ein Beispiel für ein solches Material ist Permalloy.
Alternativ kann die Arbeitsstruktur aber auch eine Formanisotropie senkrecht zur Wanderungsrichtung der Domänenwände aufweisen. Diese lässt sich beispielsweise durch eine entgegengesetzt gleiche, beispielsweise kristalline, Anisotropie des ferromagnetischen Materials ausgleichen. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Drähte mit elliptischem, aber nicht kreisrundem Querschnitt so ausgestalten, dass die effektive Anisotropie senkrecht zur Wanderungsrichtung der Domänenwände insgesamt verschwindet. In diesem Beispiel kann die Formanisotropie durch eine Materialanisotropie entlang einer der Hauptachsen kompensiert werden.
Die besonderen dynamischen Eigenschaften der Domänenwände und insbesondere der Wegfall des Walker-Limits für ihre Wanderungsgeschwindigkeit entlang der Arbeitsstruktur setzen ein, wenn die transversale Magnetisierungskomponente in der Mitte der Domänenwand auf Grund der (effektiven) Symmetrie um die Wanderungsrichtung keine Vorzugsrichtung in der Ebene senkrecht zur Wanderungsrichtung aufweist. Um die beschriebenen Vorteile hinsichtlich der schnelleren Eingabe, Verarbeitung bzw. Speicherung und schließlich Ausgabe von Information zu erreichen, ist es nicht notwendig, dass die Domänenwände exakt masselos sind, dass die effektive Anisotropie exakt verschwindet oder dass es sich um perfekte eindimensionale, transversale Domänenwände handelt. Eine Verbesserung der dynamischen Eigenschaften setzt graduell ein, sobald diese Anforderungen auch nur annähernd erfüllt sind.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Arbeitsstruktur mindestens in einem Abschnitt zylindrisch, hier insbesondere als gerader Zylinder und besonders vorteilhaft als Kreiszylinder ausgebildet. Dies ist die Ausführungsform, anhand der die Erfinder die Existenz masseloser Domänenwände erstmals nachgewiesen haben. Die Domänenwände wandern entlang der Zylinderachse. Dabei wurde festgestellt, dass masselose Domänenwände bei der Ausbreitung nur ihre Position und Magnetisierungsrichtung ändern, nicht jedoch ihre innere magnetische Struktur. Auf Grund ihrer hohen Symmetrie weist eine zylindrische Arbeitsstruktur keine Formanisotropie senkrecht zur Wanderungsrichtung der Domänenwände auf, so dass sie aus einem amorphen ferromagnetischen Material ohne kristalline Anisotropie, wie etwa Permalloy, gefertigt werden kann. Zudem ist eine so hoch symmetrische Arbeitsstruktur analytisch gut beschreibbar. Im speziellen Beschreibungsteil sind simulatorische und analytische Untersuchungen an zylindrischen Arbeitsstrukturen ausgeführt.
In der Ausgestaltung der Erfindung, in der die Arbeitsstruktur mindestens in einem Abschnitt als Zylinder ausgebildet ist, kann dieser Zylinder aber auch einen polygonalen Querschnitt, insbesondere mit einer geraden Eckenzahl und besonders bevorzugt mit 6, 8 oder 12 Ecken, aufweisen. Damit kann beispielsweise ein gerader Kreiszylinder angenähert und gleichzeitig anderen Randbedingungen genügt werden, die eben diesen geraden Kreiszylinder ausschließen. Je höher die Eckenzahl, desto geringer ist dabei die Formanisotropie, die durch andere Maßnahmen (wie etwa eine Materialanisotropie) auszugleichen ist.
Die Arbeitsstruktur weist vorteilhaft mindestens in einem Abschnitt einen Durchmesser von 100 nm oder weniger, bevorzugt von 50 nm oder weniger, auf. Vorteilhaft weist sie einen Durchmesser auf, der höchstens das 20-Fache, bevorzugt höchstens das 10-Fache, der Austauschlänge des ferromagnetischen Materials beträgt. Die Austauschlänge in einem Ferromagneten ist durch seine Materialparameter gegeben und liegt typischerweise bei etwa 5 nm. Auf Längenskalen, die nicht sehr viel größer sind als die Austauschlange, bleibt die Magnetisierung meist homogen. Wird der Durchmesser sehr viel größer als die Austauschlänge, ändern sich Struktur und dynamische Eigenschaften der Domänenwände, da die ferromagnetische Fernordnung zusammenbricht.
Vorteilhaft ist das ferromagnetische Material der Arbeitsstruktur weichmagnetisch. Ein weichmagnetisches Material hat ein Koerzitivfeld unterhalb von 1000 A/m. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das weichmagnetische Material Permalloy.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Magnetfeldsensor ein GMR-Sensor. Ein solcher Sensor ist ein Dünnschichtsensor und kann daher vorteilhaft zusammen mit der Arbeitsstruktur auf einem Substrat integriert hergestellt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel zur Messung des elektrischen Widerstands der Arbeitsstruktur oder eines Abschnitts der Arbeitsstruktur vorgesehen. Dieser Widerstand hängt auf Grund des anisotropen Magnetowiderstands (AMR) von der Anzahl der in der Arbeitsstruktur oder in dem Abschnitt enthaltenen Domänen ab. Damit hängt er auch von der Anzahl der dort enthaltenen Domänenwände ab.
Das magnetoelektronische Bauelement kann ein Schieberegister für digitale Daten sein. Dann können die digitalen Daten analog zur auf Festplatten üblichen Kodierung in den Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Domänenwänden einkodiert werden. Die nicht durch das Walker-Limit begrenzte Geschwindigkeit, mit der die Domänenwände die Arbeitsstruktur durchwandern, erhöht die Zugriffsgeschwindigkeit eines solchen Schieberegisters, so dass dieses die Geschwindigkeit von DRAM-Speichern sowie die Reversibilität und Nichtflüchtigkeit von Festplatten miteinander kombinieren kann.
Das magnetoelektronische Bauelement kann aber beispielsweise auch ein logisches Gatter sein. Ein solches Gatter ordnet einem oder mehreren eingangsseitigen Wahrheitswerten eindeutig einen ausgangsseitigen Wahrheitswert zu. Wie schnell dies geschieht, wenn die Wahrheitswerte in Form von Domänenwänden kodiert sind, hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der diese Domänenwände das Gatter durchwandern.
Im speziellen Beschreibungsteil haben die Erfinder durch analytische Rechnungen belegt, dass in einer mindestens abschnittsweise zylindrisch ausgebildeten Arbeitsstruktur masselose Domänenwände existieren. Im Zuge dieser Arbeiten wurde erkannt, dass die Winkelgeschwindigkeit, mit der die Magnetisierungsrichtung masseloser Domänenwände senkrecht zu ihrer Wanderungsrichtung durch die Arbeitsstruktur rotiert, vom üblicherweise schwer zu bestimmenden nicht-adiabatischen Spintransfer-Drehmomentterm abhängt, der zur Erfassung von Spin-strominduzierten Effekten der Gilbert-Gleichung hinzugefügt wird. Die Erfindung bezieht sich daher auch auf ein Verfahren zur Messung des nicht-adiabatischen Spintransferparameters β eines ferromagnetischen Materials.
Dieser Parameter beschreibt die Stärke einer Komponente des Drehmoments, das auf die lokale Magnetisierung der Arbeitsstruktur wirkt, wenn Leitungselektronen eine ferromagnetische Arbeitsstruktur durchwandern. Der Spin der Leitungselektronen tritt dabei mit der lokalen Magnetisierung in Wechselwirkung. Als Folge dieser Wechselwirkung wirkt auf die lokale Magnetisierung ein Drehmoment, das in zwei Komponenten aufgeteilt wird, die jeweils senkrecht zueinander stehen und als adiabatischer Spintransferterm bzw. nicht-adiabatischer Spintransferterm bezeichnet werden. Die mathematische Form dieser Drehmomentterme wird später in der entsprechend erweiterten Gilbert-Gleichung beschrieben. Der Parameter β ist ein dimensionsloser Koeffizient, der die Stärke der Komponente des Drehmoments beschreibt, der mit dem nicht-adiabatischen Term verbunden ist.
In physikalischer Hinsicht unterscheiden sich adiabatischer und nicht-adiabatischer Spintransfereffekt und die damit verbundenen Komponenten des Drehmoments auf die Magnetisierung durch zwei unterschiedliche Weisen, auf die der Spin der Leitungselektronen mit der lokalen Magnetisierung wechselwirkt. Im adiabatischen Fall wird davon ausgegangen, dass der Spin der Leitungselektronen sich an jedem Ort der ferromagnetischen Probe der örtlichen Magnetisierung instantan anpasst. Fließt also ein Elektronenstrom entlang einer inhomogen magnetisierten Struktur, so passt sich der Elektronenspin laufend und sozusagen instantan der örtlichen Magnetisierungsrichtung an. Diese Drehung des Elektronenspins ist mit einer Drehimpulsänderung verbunden. Aufgrund der Erhaltung des Gesamtdrehimpulses wird ein entsprechend entgegengesetzer Drehimpuls an die Magnetisierung übertragen. Diese Änderung des Drehimpulses pro Zeiteinheit entspricht dem adiabatischen Spintransferdrehmoment, das auf die Magnetisierung wirkt.
Im nicht-adiabatischen Fall wird der Tatsache Rechnung getragen, dass die Spins hochenergetischer Leitungselektronen sich beim Durchfließen inhomogen magnetisierter Bereiche nicht vollständig und instantan der lokalen Magnetisierungsrichtung anpassen können. Daraus resultiert eine Fehlanpassung des Elektronenseins mit der örtlichen Magnetisierung, mit der ebenfalls ein Drehmoment verbunden ist. Die Stärke dieses Effektes ist derzeit weitgehend unbekannt und wird in der Fachliteratur intensiv und kontrovers diskutiert. Die Stärke dieses Effekts wird allgemein durch den nicht-adiabatischen Spintransferparameter β quantifiziert. Dieser Wert ist experimentell bislang sehr schwer bestimmbar. Gegenstand des Verfahrens ist daher eine gegenüber dem Stand der Technik stark vereinfachte und gleichzeitig weitgehend modellunabhängige Bestimmung von β.
Erfindungsgemäß wird die Winkelgeschwindigkeit gemessen, mit der sich die Magnetisierungsrichtung von, insbesondere masselosen, Domänenwänden beim Durchwandern einer Arbeitsstruktur aus dem ferromagnetischen Material um die Richtung der Wanderung dreht.
Ein in die ferromagnetische Arbeitsstruktur eingebrachter Elektronenspin kann um die Magnetisierungsrichtung der Struktur präzedieren. Auf Grund der Drehimpulserhaltung ändert sich daraufhin auch diese Magnetisierungsrichtung.
Die Dynamik der normalisierten lokalisierten Magnetisierung m → wird durch die erweiterte Gilbert-Gleichung
beschrieben. Darin ist in den letzten beiden Termen die strominduzierte Magnetisierungsdynamik berücksichtigt. M_s ist die Sättigungsmagnetisierung, γ ist das gyromagnetische Verhältnis, H →_eff ist das effektive Feld, α ist der Gilbert-Dämpfungsfaktor. β ist der nicht-adiabatische Spintransferparameter. Der Vektor u → ist definiert als
Hierin ist die Stromdichte, g ist der Lande-Faktor, μ_B ist das Bohrsche Magneton, e die Elementarladung und P die Spinpolarisationsrate des Stroms.
Der nicht-adiabatische Spintransferparameter β beschreibt die Stärke des nicht-adiabatischen Beitrags der Spintransfereffekte, über die die Leitungselektronen bei der Wanderung durch inhomogen magnetisierte Bereiche (wie z. B. durch eine Domänenwand) mit der lokalen Magnetisierung Wechselwirken und damit ein Drehmoment auf die Magnetisierung bewirken.
Es wurde von den Erfindern erkannt, dass die Winkelgeschwindigkeit, mit der sich die Magnetisierungsrichtung masseloser Domänenwände beim Durchwandern der Arbeitsstruktur um die Richtung der Wanderung dreht, von der Differenz (β – α) zwischen dem nicht- adiabatischen Spintransferparameter β und dem Gilbert-Dämpfungsfaktor α abhängt. Indem nun die Winkelgeschwindigkeit gemessen wird, kann β bestimmt werden, da der Wert von α auf vielfältige Weise zu bestimmen ist. Nach dem Stand der Technik war β dagegen nur schwer zu messen.
Beispielsweise wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Wert von α (Gilbert-Dämpfungsfaktor) aus der Geschwindigkeit bestimmt, mit der Domänenwände unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfelds die Arbeitsstruktur durchwandern.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Wert der Spinpolarisation P aus der Geschwindigkeit bestimmt, mit der Domänenwände unter dem Einfluss eines elektrischen Stroms die Arbeitsstruktur durchwandern. Es wurde erkannt, dass der Zusammenhang zwischen dieser Geschwindigkeit v und der Spinpolarisation P gegeben ist durch
Dabei steht auf der linken Seite der Gleichung die Messgröße v, also die Domänenwandgeschwindigkeit, und auf der rechten Seite die gesuchte Polarisation P. Der erste Term auf der rechten Seite enthält nur α und β. Der Wert dieses ersten Terms kann in sehr guter Näherung mit eins gleich gesetzt werden, da sowohl α als auch β üblicherweise viel kleiner als eins sind:
Alternativ können die Werte von α und β mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einzeln bestimmt und eingesetzt werden.
Der zweite Term auf der rechten Seite der Gleichung für die Domänenwandgeschwindigkeit beinhaltet nur physikalische Konstanten (Bohrsches Magneton μ_B, Elementarladung e, Landé-Faktor g) und die Sättigungsmagnetisierung M_s, die als materialspezifische Größe üblicherweise bekannt ist, z. B. aus Literaturtabellen.
Als weitere Faktoren verbleiben in der Gleichung die anhand des Gesamtstroms und des Querschnitts der Arbeitsstruktur bekannte elektrische Stromdichte j, und die gesuchte Spinpolarisation P. Somit lässt sich der Wert von P unter Verwendung bekannter Werte auf einfache Weise anhand der Messung der Domänenwandgeschwindigkeit v ermitteln. Die Spinpolarisation P ist eine technisch hochrelevante Kenngröße in der Spintronik. Errungenschaften auf diesem Gebiet werden häufig daran gemessen, welcher Grad an Spinpolarisation P hergestellt, in ein Bauelement injiziert und bei der Verarbeitung durch dieses Bauelement bewahrt werden kann.
Vorteilhaft wird der Wert von β (nicht-adiabatischer Spintransferparameter) aus der Frequenz bestimmt, mit der die Magnetisierungsrichtung von Domänenwänden unter dem Einfluss eines durch die Arbeitsstruktur fließenden Stroms Dipoloszillationen vollführt. Diese Frequenz ist über einen Faktor 2π unmittelbar mit der Winkelgeschwindigkeit gekoppelt, mit der sich die Magnetisierungsrichtung masseloser Domänenwände beim Durchwandern der Arbeitsstruktur um die Richtung der Wanderung dreht. Es ist experimentell einfacher, die Frequenz der Dipoloszillationen zu messen, als die Winkelgeschwindigkeit direkt zu messen.
Die Winkelgeschwindigkeit ω der Domänenwand ist über die entsprechende Frequenz der Dipoloszillationen messbar (f = ω/2π), die beispielsweise über einen geeigneten Magnetfeldsensor ermittelt werden kann. Allerdings wird in der Praxis eine Unterscheidung zwischen positiven und negativen Werten von ω auf direkte Weise in vielen Fällen nur schwer möglich sein. Unterschiedliche Vorzeichen von ω beschreiben Drehungen der Domänenwande in entgegengesetzte Richtungen. Um die aus dem unbekannten Vorzeichen von ω resultierende Zweideutigkeit des Wertes von β zu eliminieren, kann zusätzlich ein longitudinales Magnetfeld angelegt werden, mit dem die Domänenwände zusätzlich zum elektrischen Strom entlang der Arbeitsstruktur bewegt werden. Das zusätzliche Magnetfeld bewirkt eine Änderung der Winkelgeschwindigkeit um einen zur Feldstärke proportionalen Wert Δω. Damit kann zwischen den ursprünglich schwer zu trennenden Fallen –ω und +ω unterschieden werden, denn der leichter messbare Betrag der Oszillationsfrequenz f erhöht sich in einem Fall |ω + Δω| und wird im anderen Fall erniedrigt |–ω + Δω| (hier wurde ohne Beschränkung der Allgemeinheit angenommen, dass Δω positiv ist, d. h. also, dass das Magnetfeld in positiver z-Richtung, entgegen der Wanderungsrichtung der Domänenwände, anliegt).
Zur Durchführung des Verfahrens können insbesondere die magnetoelektronischen Bauelemente gemäß Haupt- und Nebenanspruch eingesetzt werden. Diese sind somit zugleich auch Messinstrumente.
Spezieller Beschreibungsteil
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird. Es ist gezeigt:
1: Konfiguration einer transversalen Domänenwand in einem 4 μm langen zylindrischen Draht mit 10 nm Durchmesser.
2: Skizze der charakteristischen Drehbewegung der Magnetisierungsrichtung von Domänenwänden in einem zylindrischen Draht.
3: Lineare Geschwindigkeit der Domänenwand als Funktion der Stromdichte in einem zylindrischen Draht (Teilbild a); Verschiebung der Domänenwand als Funktion der Zeit für verschiedene Werte der Stromdichte (Teilbild b); Vergleich der Geschwindigkeiten der Domänenwände in zylindrischen Drähten mit zwei verschiedenen Durchmessern (Teilbild c).
4: Dynamik der Magnetisierungsrichtung in der Domänenwand.
Die besonders bevorzugte Ausführungsform einer zylindrischen Arbeitsstruktur wurde sowohl mit mikromagnetischen Simulationen als auch analytisch untersucht. Die Simulation wurde mit einem Finite-Elemente-Algorithmus auf der Basis der bereits oben erläuterten Gilbert-Gleichung für die normalisierte lokale Magnetisierung m → durchgeführt.
In dem untersuchten Ausführungsbeispiel ist die Arbeitsstruktur ein Draht aus Permalloy (Py) mit Materialparametern μ₀M_s = 1 T (Sättigungsmagnetisierung), verschwindender Anisotropie und Austauschkonstante A = 1,3·10^–11 J/m. Eine solche Arbeitsstruktur kann beispielsweise als magnetisches Schieberegister verwendet werden.
1 zeigt die als Ergebnis der Simulation erhaltene Konfiguration einer transversalen Domänenwand in einem 4 μm langen zylindrischen Draht mit 10 nm Durchmesser. Das für die Simulation benutzte kartesische Koordinatensystem sowie ein für die analytische Untersuchung verwendetes sphärisches Koordinatensystem sind links unten in 1 eingezeichnet. Zum Vergleich ist die Konfiguration einer transversalen Domänenwand in einem 100 nm breiten und 10 nm dicken Permalloy-Streifen als Einsatz rechts oben in 1 eingezeichnet. Für die Simulation wurde das Volumen des Drahts in 259.200 Tetraeder mit einer Zellengröße von etwa 1,25 nm × 1,25 nm × 5 nm diskretisiert. Wegen der axialen Symmetrie sind die Struktur der Wand und ihre Energie invariant gegenüber Drehungen der Magnetisierung in der xy-Ebene.
Unter dem Einfluss eines elektrischen Stroms entlang der positiven z-Achse bewegt sich die Domänenwand in Richtung des Elektronenflusses (negative z-Richtung). Zusätzlich zu der linearen Bewegung entlang der Drahtachse dreht sich die Magnetisierungsrichtung der Domänenwand um die Drahtachse.
2 zeigt diese charakteristische Drehbewegung der Magnetisierungsrichtung. Die schwarzen Querschnitte durch den hier als Röhre gezeichneten Draht geben die Position der Domänenwand zu verschiedenen Zeitpunkten t₁ bis t₅ an. Die Pfeile in diesen Querschnitten geben die Orientierung der transversalen Magnetisierungsrichtung der Domänenwand zu diesen Zeitpunkten an diesen Orten an. Die in den Draht einbeschriebene Spirale illustriert die Präzessionsbewegung der Domänenwand. In den Simulationen wurde α fest auf 0,02 gesetzt, während der Wert von β zwischen 0 und 0,1 variierte.
In 3a ist die lineare Geschwindigkeit v der Domänenwand als Funktion der Stromdichte j in einem zylindrischen Draht mit 10 nm Durchmesser für α = 0,02 und vier verschiedene Werte von β aufgetragen. Die Linien in 3a repräsentieren analytisch berechnete Werte von u. Die Geschwindigkeit hängt linear von j ab und ist unabhängig von β. Zum Vergleich wurde die Bewegung der Domänenwand in einem dünnen Streifen mit den gleichen Parametern simuliert (Einsatz in 3a). Die Linien in diesem Einsatz sind lediglich eine graphische Skizze des Funktionsverlaufs an Hand der simulierten Einzelwerte. Der Draht verhält sich fundamental anders als der Streifen. Für β = 0 ergibt sich im Draht kein intrinsiches Pinning. In den Streifen muss dagegen ein minimaler (kritischer) Strom injiziert werden, um die Bewegung der Domänenwand anzustoßen. Es ergab sich für kleine j lediglich eine geringe und von j unabhängige Geschwindigkeit der Domänenwand. Diese ist auf einen magnetostatischen Effekt zurückzuführen, der mit der endlichen Probengröße zusammenhängt: Wenn die Domänenwand aus dem Zentrum der Probe herausbewegt wird, entsteht ein longitudinales magnetostatisches Feld.
Es ist auch festzustellen, dass die Domänenwände im runden Draht masselos sind. Ihr Profil ändert sich während der Bewegung nicht. In der Simulation ergab sich auch dann keinerlei Masse für die Domänenwand, wenn unrealistisch hohe Werte für j oder externe Magnetfelder angenommen wurden, bei denen die Domänen durch Nukleationsprozesse zusammenbrechen. Ob die Domänenwände streng mathematisch oder nur praktisch masselos sind, ist aber für die technische Anwendung im magnetoelektronischen Bauelement und insbesondere im Schieberegister ohne Belang.
Im zylindrischen Draht bricht die Struktur der Domänenwand nicht auf Grund des Walker-Limits zusammen. Im Streifen jedoch ist das Walker-Limit erreicht, wenn β > α wird. Wie durch die Pfeile im Einsatz in 3a angedeutet, hat dies einen starken Einbruch der Geschwindigkeit zur Folge.
Im zylindrischen Draht hängt die Geschwindigkeit der Domänenwand nicht von β ab. Im Streifen zeigt sich dagegen eine starke Abhängigkeit von β. Im runden Draht erreicht die Domänenwand sofort nach Einschalten des Stroms eine konstante Geschwindigkeit. Diese Beobachtung deckt sich damit, dass die Domänenwand weder Masse noch Trägheit aufweist.
3b illustriert diese ungehinderte Bewegung der Domänenwand. Hier ist die Verschiebung d der Wand als Funktion der Zeit t für drei verschiedene Werte von j aufgetragen.
3c zeigt einen Vergleich der Geschwindigkeiten der Domänenwände in zylindrischen Drähten mit zwei verschiedenen Durchmessern D (10 nm und 40 nm). Es ergibt sich nur eine schwache Abhängigkeit vom Drahtdurchmesser.
4 fasst die Dynamik der Magnetisierungsrichtung in der Domänenwand zusammen. Aufgetragen ist die Winkelgeschwindigkeit, mit der sich diese Magnetisierungsrichtung dreht, über der Stromdichte j für drei verschiedene Werte von β. In einem Einsatz links unten in 4 ist ein Vergleich der Winkelgeschwindigkeiten zwischen dem 10 nm dicken Draht und dem 40 nm dicken Draht eingezeichnet. Analog zur linearen Verschiebung der Domänenwand weist die Winkelgeschwindigkeit, mit der sich die Magnetisierungsrichtung dreht, eine lineare Abhängigkeit von j auf. Sie hängt jedoch auch von β ab; es wurde erkannt, dass sie proportional zu (β – α) ist. Die Drehrichtung ändert sich bei α = β, wo die Magnetisierungsrichtung der Domänenwand idealerweise nicht rotiert. In der Simulation ergibt sich eine langsame Rotation auch in diesem Fall. Dies ist durch einen magnetostatischen Effekt bedingt, der auf die endliche Länge des simulierten Drahts zurückzuführen ist.
Um den physikalischen Hintergrund dieser simulierten Daten zu untersuchen, wurde das Feld, bei dem die Struktur von Bloch-Domänenwänden auf Grund des Walker-Limits zusammenbricht, mit einem analytischen Modell berechnet, das in (A. Mougin, M. Cormier, J. P. Adam, P. J. Metaxas, J. Ferré, „Domain wall mobility, stability and Walker breakdown in magnetic nanowires", Europhysics Letters 78, 57007 (2007)) entwickelt wurde. Es wurde das links unten in 1 eingezeichnete sphärische Koordinatensystem verwendet. Die Winkelgeschwindigkeiten der Magnetisierung hängen wie folgt von den Drehmomenten Γab, die auf die Wand wirken:
Der Ausdruck für das totale Drehmoment, das in der Domänenwand wirkt, wird in Gleichung 10 von Mougin et al. gegeben. Darin werden ein statisches Magnetfeld H, das entlang der z-Richtung wirkt, ein Entmagnetisierungsfeld, ein äquivalentes Dämpfungsfeld, das das durch die Dämpfung verursachte Drehmoment beschreibt, und ein in z-Richtung fließender elektrischer Strom berücksichtigt. Unter Ausnutzung der Zylindersymmetrie des Drahts und mit der Vereinfachung, dass nur das Zentrum der Domänenwand (θ = π/2) berücksichtigt wird, können alle zum Entmagnetisierungsfeld gehörenden Terme weggelassen werden, und es ergibt sich:
worin der Index wc das Zentrum der Domänenwand bezeichnet.
Der Einfachheit halber wurde nun zunächst die durch ein statisches, entlang der z-Achse wirkendes äußeres Magnetfeld getriebene Bewegung einer Domänenwand untersucht. Mit u = 0 ergibt sich
Im statischen äußeren Feld präzediert die Domänenwand also (abgesehen von einem nahe bei eins liegenden Vorfaktor 1/(1 + α²)) mit der Larmorfrequenz und bewegt sich auf Grund der Dämpfung in der Feldrichtung fort. Was die erreichbare Geschwindigkeit angeht, so ist die durch ein äußeres Feld getriebene Bewegung von Domänenwänden wegen des schwachen Vorfaktors α weniger interessant.
Für die durch einen elektrischen Strom getriebene Bewegung von Domänenwänden wurde H = 0 statt u = 0 angenommen, und es ergibt sich:
Diese Gleichungen zeigen, wie der adiabatische Term die lineare Bewegung der Domänenwand beeinflusst, während die Differenz zwischen dem nicht-adiabatischen Term und dem Dämpfungsterm die Rotation der Magnetisierungsrichtung beeinflusst. Im Gegensatz hierzu führen der Dämpfungs- und/oder der nicht-adiabatische Term bei Bloch-Domänenwänden oder transversalen Domänenwänden in Streifen zu einer Verzerrung der Domänenwand, also zu einer nicht-verschwindenden Masse. Diese nicht-verschwindende Masse bewirkt verschiedene unerwünschte Effekte, wie das intrinsische Pinning und das Walker-Limit für die Geschwindigkeit. Der kritische Strom oder das kritische Feld, bei dem die Domänenwandstruktur auf Grund des Walker-Limits zusammenbricht, wird üblicherweise als der Punkt definiert, ab dem das Zentrum der Domänenwand aus seiner ursprünglichen Ebene herausrotiert (ϕ . ≠ 0). Für einen Draht als Arbeitsstruktur führt dessen Symmetrie jedoch dazu, dass die Magnetisierung der Domänenwand frei rotieren kann, ohne dass die Domänenwand dabei deformiert wird. Dabei hängt die Winkelgeschwindigkeit von (β – α) ab, während die lineare Geschwindigkeit, mit der die Domänenwand sich fortbewegt, unabhängig von β ist.
Es ist bemerkenswert, dass sowohl θ . als auch ϕ . proportional zu ∂θ/∂z|_wc sind, was ein Maß für die Breite der Domänenwand ist. Für die lineare Geschwindigkeit v ist die Breite der Domänenwand wegen v = θ .·∂θ/∂z unmaßgeblich. Die lineare Geschwindigkeit ist somit im Wesentlichen gleich u, das in 3a in Form von Linien aufgetragen ist. Dies ist die Erklärung dafür, dass die lineare Geschwindigkeit, wie in 3c gezeigt, unabhängig von der Dicke des Drahts ist, obwohl der dickere Draht breitere Domänenwände ausbildet. Dies ist konsistent mit der Simulation im Einsatz links unten in 4, aus der sich ergibt, dass die Winkelgeschwindigkeit im dickeren Draht geringer ist. Die Linien in 4 zeigen analytische Werte der Winkelgeschwindigkeit für verschiedene Werte von β. Diese Linien wurden mit einem Wert von ∂θ/∂z erhalten, der aus einem simulierten Domänenwandprofil extrahiert wurde. Die Simulation bestätigt auch fast perfekt das analytisch erhaltene Ergebnis, dass sich für betragsmäßig gleiche (β – α) mit verschiedenen Vorzeichen die gleichen Winkelgeschwindigkeiten einstellen sollten.
Die Abhängigkeit der Winkelgeschwindigkeit von der Differenz zwischen α und β eröffnet interessante Perspektiven für die Messung des nicht-adiabatischen Spintransferparameters β, der der Vorfaktor für den nicht-adiabatischen Spintransfer-Drehmomentterm ist und der üblicherweise schwer zu bestimmen ist. Die Charakteristik der feld- und stromgetriebenen Bewegung von Domänenwänden in runden Drähten sollte eine präzise Bestimmung dieser Information ermöglichen, da der Wert von α aus der feldgetriebenen Geschwindigkeit folgt. Der Wert von β kann dann aus der Frequenz der stromgetriebenen Dipoloszillationen ermittelt werden, die aus den Ausdrücken für θ . und ϕ . im stromgetriebenen Fall folgen. Auch die Polarisationsrate P, die in diesem Fall fast genau gleich u ist, kann aus der stromgetriebenen Geschwindigkeit der Domänenwand ermittelt werden (siehe 3 und die entsprechenden Ausführungen im allgemeinen Beschreibungsteil).
Die Bestimmung des nicht-adiabatischen Spintransferparameters β nach dem hier vorgeschlagenen Verfahren kann mit der Kenntnis bzw. der experimentellen Bestimmung des Werts des Dämpfungsparameters α beginnen. Die Messung des Werts von α kann vorteilhaft anhand der Messung der Geschwindigkeit erfolgen, mit der sich Domänenwände unter dem Einfluss eines longitudinal angelegten magnetischen Feldes entlang der Arbeitsstruktur bewegen. Gemäß der zuvor beschriebenen Dynamik ist diese Geschwindigkeit durch
gegeben. Neben der Dämpfungskonstante α hängt damit die Geschwindigkeit vom gyromagnetischen Verhältnis γ und der magnetischen Feldstärke H des treibenden Feldes ab, sowie von der magnetischen Struktur der Domänenwand. Der Wert ∂θ/∂z|_wc beschreibt den Gradienten der Magnetisierung entlang der Arbeitsstruktur in der Mitte der Domänenwand. Er steht in Zusammenhang mit der Domänenwandbreite und kann entweder durch analytische Modelle, durch experimentelle Messungen oder durch Computersimulationen ermittelt werden. Somit kann der Wert von α entsprechend der obigen Gleichung ermittelt werden, da dies die einzig unbekannte Größe in dieser Gleichung ist. Mathematische Zweideutigkeiten, die bei der Lösung der quadratischen Gleichung nach α auftreten, können durch die Bedingung α << 1 beseitigt werden.
Nachdem der Wert von α ermittelt ist, kann β anhand der Frequenz der Dipoloszillationen ermittelt werden, die die Domänenwände durchführen, während sie unter dem Einfluss eines elektrischen Stroms durch die Arbeitsstruktur bewegt werden. Die Winkelgeschwindigkeit ω ist durch
gegeben, wobei der Wert von ∂θ/∂z|_wc wieder durch Messung ermittelt oder durch Rechnungen abgeschätzt werden kann. Der Wert von u ist durch
gegeben. Möglichkeiten zur Bestimmung der in u vorkommenden Größen wurden oben beschrieben. Damit ergibt sich ein direkter, einfacher Zusammenhang zwischen der messbaren Winkelgeschwindigkeit ω und dem gesuchten Wert des nicht-adiabatischen Spintransferparameters β.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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- D. A. Allwood, G. Xiong, C. C. Faulkner, D. Atkinson, D. Petit, R. P. Cowbum, „Magnetic Domain Wall Logic”, Science 309, 1688 (2005) [0003]
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- N. L. Schryer, L. R. Walker, „The motion of 180° domain Walls in uniform dc magnetic fields”, Journal of Applied Physics 45, 5406 (1974) [0004]
- M. Kläui, P.-O. Jubert, R. Allenspach, A. Bischof, J. A. C. Bland, G. Faini, U. Rüdiger, C. A. F. Vaz, L. Vita, C. Vouille, „Direct observation of domain-wall configurations transformed by spin currents”, Physical Review Letters 95, 026601 (2005) [0004]
- W. Döring, Zeitschrift für Naturforschung 3a, 373 (1948) [0016]
- A. Mougin, M. Cormier, J. P. Adam, P. J. Metaxas, J. Ferré, „Domain wall mobility, stability and Walker breakdown in magnetic nanowires”, Europhysics Letters 78, 57007 (2007) [0077]
- Mougin et al [0078]

Claims

Magnetoelektronisches Bauelement, umfassend mindestens eine längliche Arbeitsstruktur aus einem ferromagnetischen Material, entlang der magnetische Domänenwände wandern können, Mittel zur Beaufschlagung dieser Arbeitsstruktur mit einem elektrischen Strom sowie mindestens einen Magnetfeldsensor für das von der Arbeitsstruktur ausgehende Magnetfeld, gekennzeichnet durch eine Arbeitsstruktur, die Domänenwände auszubilden vermag, deren transversale Magnetisierungsrichtung in ihrer Mitte keine Vorzugsrichtung in der Ebene senkrecht zu ihrer Wanderungsrichtung entlang der Arbeitsstruktur aufweist.
Magnetoelektronisches Bauelement, umfassend mindestens eine längliche Arbeitsstruktur aus einem ferromagnetischen Material, entlang der magnetische Domänenwände wandern können, Mittel zur Beaufschlagung dieser Arbeitsstruktur mit einem elektrischen Strom sowie mindestens einen Magnetfeldsensor für das von der Arbeitsstruktur ausgehende Magnetfeld, gekennzeichnet durch eine Arbeitsstruktur, die masselose Domänenwände auszubilden vermag.
Magnetoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Beaufschlagung der Arbeitsstruktur mit einem Magnetfeld.
Magnetoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsstruktur keine effektive Anisotropie senkrecht zur Wanderungsrichtung der Domänenwände entlang der Arbeitsstruktur aufweist.
Magnetoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsstruktur eine Symmetrie aufweist, bei der die Komponente der Formanisotropie senkrecht zur Wanderungsrichtung der Domänenwände verschwindet.
Magnetoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsstruktur mindestens in einem Abschnitt zylindrisch ausgebildet ist.
Magnetoelektronisches Bauelement nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsstruktur mindestens in einem Abschnitt als gerader Zylinder ausgebildet ist.
Magnetoelektronisches Bauelement nach einem der 2 vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsstruktur mindestens in einem Abschnitt als Kreiszylinder ausgebildet ist.
Magnetoelektronisches Bauelement nach einem der 3 vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsstruktur mindestens in einem Abschnitt als Zylinder mit polygonalem Querschnitt ausgebildet ist.
Magnetoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsstruktur mindestens in einem Abschnitt einen Durchmesser von 100 nm oder weniger aufweist.
Magnetoelektronisches Bauelement nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsstruktur mindestens in einem Abschnitt einen Durchmesser von 50 nm oder weniger aufweist.
Magnetoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsstruktur aus dem ferromagnetischen Material mindestens in einem Abschnitt einen Durchmesser aufweist, der weniger als das 20-Fache der Austauschlänge des ferromagnetischen Materials beträgt.
Magnetoelektronisches Bauelement nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsstruktur aus dem ferromagnetischen Material mindestens in einem Abschnitt einen Durchmesser aufweist, der weniger als das 10-Fache der Austauschlänge des ferromagnetischen Materials beträgt.
Magnetoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ferromagnetische Material der Arbeitsstruktur weichmagnetisch ist.
Magnetoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen GMR-Sensor als Magnetfeldsensor.
Magnetoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Messung des elektrischen Widerstands der Arbeitsstruktur oder eines Abschnitts der Arbeitsstruktur.
Schieberegister für digitale Daten als magnetoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Logisches Gatter als magnetoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Messung des nicht-adiabatischen Spintransferparameters β eines ferromagnetischen Materials, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgeschwindigkeit gemessen wird, mit der sich die Magnetisierungsrichtung von Domänenwänden beim Durchwandern einer Arbeitsstruktur aus dem ferromagnetischen Material um die Richtung der Wanderung dreht.
Verfahren nach vorhergehendem Verfahrensanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Gilbert-Dämpfungsfaktors aus der Geschwindigkeit bestimmt wird, mit der Domänenwände unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfelds die Arbeitsstruktur durchwandern.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der Spinpolarisation P aus der Geschwindigkeit bestimmt wird, mit der Domänenwände unter dem Einfluss eines elektrischen Stroms die Arbeitsstruktur durchwandern.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht-adiabiatische Spintransferparameter β aus der Frequenz bestimmt wird, mit der die Magnetisierungsrichtung von Domänenwänden unter dem Einfluss eines durch die Arbeitsstruktur fließenden Stroms Dipoloszillationen vollführt.