DE2225585A1 - Magnetisierungsdomäne-Übertragungsanordnung - Google Patents

Description

Western Electric Company, Incorporated A.H. Bobeck

eingegangen am

Magnetisierungßdomäne-Übertragungsanordnung "(Zusatz zu P 19 56 095.1-533

Die Erfindung betrifft eine Magnetisierungsdomäne-Übertragungsanordnung rait einem Blatt aus magnetischem Material, in welchem einwandige Magnetisierun^äomänen fortbewegt werden können, wobei das Blatt eine bevorzugte Magnetisierungsrichtung längs einer außerhalb der Blattebene verlaufende Achse auf v/eist, und mit Übertragungsmitteln zum Fortbewegen der einwandigen Domänen in dem Blatt.

Der Ausdruck "einwandige Kagnetisierungsdomäne" bezieht sich auf eine magnetische Domäne, die in einem Blatt aus geeignetem magnetischem Material bewegbar ist und von einer einzigen Domänenwand umgeben wird, die sich in der Ebene dieses Blattes in sich selbst schließt.

Übertragungsanordnungen zum Bewegen einer Magnetisierungsdomäne v/erden so ausgelegt, daß sie Magnetfelder mit einer Geometrie erzeugen, die durch das Blatt bestimmt wird, in welchem eire Magnetisierungsdomäne bewegt wird. Die meisten Materialien, in denen einwandige Magnetisierungcdomänen bewegt werden können, zeichnen sich durch eine bevorzugte Magnetisierungsrichtung aus, die für alle praktischen Anwendungen normal zur Blattebene verläuft. Die Magnetisierungs-

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domäne stellt daher eine umgekehrt magnetisierte Domäne dar, die man sich als einen Dipol denken kann, der quer, · ..

nominell normal zur Blattebene ausgerichtet ist. Demgemäß wird das Fortbewegen einer Magnetisierungsdomäne durch das Bereitstellen eines anziehenden Magnetfeldes erreicht, ' .

das normal zu dem Blatt verläuft und an einer eingegrenzten .

Stelle auftritt, die von der durch die Magnetisierungsdomäne .

besetzten Stelle versetzt ist. Eine Folge solcher Felder ergibt aufeinanderfolgende Fortbewegungen einer Magneti-

sierungsdomäne. - ;.

Eine Übertragungsanordnung weist ein Muster elektrischer. \v Leiter auf, die jeweils eine Leiterschleife bilden, die bei externen Pulsen die benötigten Felder erzeugen. Die 5-Schleifen sind miteinander verbunden und werden in einer , . -*_v Dreiphasenart gepulst, um einen Schieberegisterbetrieb her-_#i' _.,,, zustellen, wie er in der US-Patentschrift 3,460,116 offen,-. ',./>.-bart ist.

Eine Betriebsart für einwandige Domänen ist als die Vor- - . spannmethode beschrieben, weil ein vorspannendes Fd^:id mit /_H> einer Polarität für eine Domänenkontraktion in dem Material.,. „^ unter normalen Betriebsbedingungen erzeugt wird, um die __, _h Durchmesser der hierin befindlichen einwandigen Domänen konstant zu halten. Da ein typisches Blatt für einwandige Domänen eine bevorzugte Magnetisierungsrichtung normal zur

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Blattebene hat, ist das Vorspannungsfeld ebenfalls im wesentlichen normal.

Das Vorspannungsfeld wird üblicherweise durch eine das Blatt, in welchem einwandige Domänen fortbewegt werden, umfassende und in.der Ebene dieses Blattes orientierte Spule erzeugt. Eine geeignete Treibschaltung liefert einen Strom für die Spule zur gesteuerten Erzeugung dieses Feldes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Erfordernis dieser äußeren Vorspannungsspule zu, beseitigen. Die deutsche Patentanmeldung P 19 56 093.1 gibt eine Lösung, bei welcher ein Blatt aus magnetischem Material verwendet wird, in dem einwandige Domänen bewegt werden können, wobei das Blatt erste und zweite Oberflächenschichten aufweist. Es ist noch das Problem vorhanden, die Verwendung von zwei Oberflächenschichten zu vermeiden, wodurch die Herstellungskosten verringert werden, während sowohl die Blattdicke des magnetischen Materials als auch der Domänendurchmesser verringert werden.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht in der Verfügbarmachung einer Magnetisierungsdomäne-Übertragungsanordnung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das Blatt eine Oberflächenschicht aufweist, die in einer längs der besagten Achse verlaufenden Richtung effektiv permanent eingestellt ist und mit dem Körper des Blattes in Austauschkupplung steht.

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Im folgenden wird die'Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 das schematisierte Schaltbild einer beispielhaften Ausführungsform, und

Fig. 2, 3 und 4 schematische Teilansichten der Anordnung nach Fig. 1.

Es wurde gefunden, daß das Vorspannungsfeld erzeugt werden kann, durch Preparieren der Oberflächen des Blattes, in welchem Domänen fortbewegt werden, derart, daß die Oberflächenschichten magnetisch längs einer ersten bevorzugten Magnetisierungsrichtung permanent eingestellt sind und mit dem Körper des Blattes in Austauschkopplung stehen. Es wird daher die Vorspannungs-Betriebsart mit Domänen von praktisch konstantem Durchmesser bei fehlender äußerer Vor-* spannungschaltung realisiert. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird eine epitaktische Granatschicht auf einem geeigneten nicht-magnetischen Granatsubstrat gezüchtet und mit einer aufgestäubten Oberflächenschicht aus einer Seltene-Erden-Kobaltlegierung beschichtet, wie z.B.

Co-z 2^CU1 3^Fe 5^Ce 25^Sm 75' ^die ^^{urch ein} Magnetfeld permanent eingestellt ist.

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Die US-Patentschrift 3,529,303 beschreibt eine Anordnung, bei der gegenüberliegende Oberflächen eines Blättchens, in dem einwandige Domänen bewegt werden können,' zur Erzeugung eines ähnlichen VprSpannungsfeldes eingerichtet ,■ sind. ■

Fig. 1 zeigt eine Domänenübertragungsanordnung 10, die entsprechend der Erfindung ausgelegt ist. Die Anordnung weist ein magnetisches Blatt 11 auf, in welchem einwandige Domänen fortbewegt werden. Es ist nur ein einziger Kanal für die Domänenübertragung dargestellt. Es versteht sich jedoch, daß dieser Kanal nur beispielhaft ist und daß weitere Kanäle in ähnlicher Weise entweder parallel zu dem dargestellten oder unter einem Winkel hierzu verlaufend vorgesehen sein können, wie dieses in der vorstehenden Patentschrift beschrieben ist.

Der Kanal ist, wie dargestellt, beispielsweise durch aufeinanderfolgende Leiterschleif en ΖΛ , 12, lH>...ln definiert, die zur Erzeugung aufeinanderfolgender Magnetfelder (Gradienten) gepulst werden, um eine einwandige Domäne von einer Eingangsposition abzuziehen und zu einer zugeordneten Ausgangsposition fortzubewegen. Zu diesem Zweck liegen die Leiterschleifen zwischen einer Ausbreitungsimpulsquelle 12 und Erde.

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Einwandige Domänen werden in den Ausbreitungskanal von einer Domänenquelle, die wie dargestellt, beispielsweise einen Bereich R mit einer Magnetisierung" aufweist, deren Richtung gleich der einer einwandigen Domäne ist. Der Bereich R ist von einem Leiter 13 umgeben, der zwischen einer Gleichstromquelle S und Erde liegt. Ein eine Haarnadelschleife bildender Leiter 14 ist der Quelle 13 zur Abtrennung eines Teils D zugeordnet, wenn er gepulst wird. Zu diesem Zweck liegt der Leiter 14 zwischen einer Eingangsimpulsquelle 15 und Erde. Wenn die Quelle 15 den Leiter pulst, wird ein Teil D von dem Bereich R abgetrennt und wird zu einer einwandigen Domäne für die weitere Ausbreitung. Der Leiter 13 ist dahingehend wirksam, den Bereich R in die normale Form zuruckzuüberfuhren, wenn der Puls im Leiter 14 aufhört. Fehlt in einer betrachteten Eingangszeitlage ein Impuls, so wird selbstverständlich keine Domäne erzeugt. Auf diese Weise können binäre Einsen und Nullen durch die Gegenwart, bzw. das Fehlen einwandiger Domänen dargestellt werden.

Ein Muster solcher Domänen, das demgemäß repräsentativ für eine Information ist, wird längs eines Ausbreitungskanals mit Hilfe der Ausbreitungsschleifen, die in bekannter Weise dreiphasig gepulst werden, zu einer Ausgangsposition hinbewegt.

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Die Ausgangsposition ist, wie dargestellt, beispielsweise durch einen Leiter 16 gebildet, der die am weitesten rechts gelegene endständige Ausbreitungsschleife (ßa). umfasst, wie dieses in Fig. 1 dargestellt ist. Der Leiter 16 liegt zwischen einer Abfrägimpulsquelle 17 und Erde und dient zum Auslöschen (Kollapieren) einer Domäne, die in der solcherart angekoppelten Position vorhanden ist. Des weiteren ist auch ein Leiter 18 an die Endposition angekoppelt. Der Leiter 18 liegt zwischen einer Verbraucherschaltung 19 und Erde. Ist eine Domäne in der Endposition vorhanden, wenn ein Abfrageimpuls dem Leiter 16 zugeführt wird, so liefert der Leiter 18 einen Impuls zur Verbraucherschaltung 19. Der Abfrageimpuls wird üblicherweise synchron mit einem Eingangsimpuls und einem ausgewählten Übertragungsimpuls zugeführt und die einzelnen Schaltungen und Quellen sind mit einer Steuerschaltung 20 zur geeigneten Aktivierung und Synchronisierung verbunden. -

Die verschiedenen Schaltungen und Quellen können von jeg-' licher Bauart sein, sofern sie nur in der Lage sind, die ihnen hier zugedachten Funktionen ausführen zu können.

Der Betrieb einer Domänenübertragungsvorrichtung in der Vorspannungsbetriebsart benötigt ein Vorspannungsfeld senkrecht zur Ebene des Blattes 11. Normalerweise wird ein solches Feld durch einen Stromfluß in einer Spule erzeugt,

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die in der Ebene des Blattes 11 liegt und die durch die gestrichelte Linie B in der Zeichnung schematisch angedeutete Lage einnimmt. Entsprechend der Erfindung können Domänen in dem Blatt 11 mit praktisch konstantem Durchmesser bei Fehlen eines solchen Vorspannungsfeldes fortbewegt werden. Das Äquivalent des Vorspannungsfeldes wird durch die Struktur des Blattes 11 geliefert.

Ein einfacher Weg zur Demonstration der Wirksamkeit einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Erhalt eines Vorspannungsfeldäquivalentes ist, diese Anordnung unter verschiedenen Magnetisierungszuständen zu prüfen, die Unterschiede in den Zuständen mathematisch auszudrücken und die resultierenden Ausdrücke mit einem Ausdruck für ein erzeugtes Vorspannungsfeld zu vergleichen. Im Hinblick hierauf kann man die Struktur des Blattes 11, wie dieses in einer schematischen Seitenansicht in Fig. 2 dargestellt ist, prüfen. Man kann sich das Blatt 11 als zwei getrennte Schichten umfassend vorstellen, die tatsächlich ein einziger Körper sein können, wie dieses nachstehend noch erläutert wird. In Fig. 2 sind die beiden Schichten mit 21 und 22 bezeichnet. Die Schicht

21 hat die Eigenschaft, daß in ihr die Magnetisierung permanent eingestellt werden kann, während die der Schicht

22 bei bestimmten Feldern geändert werden kann. ,

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Von der Schicht 21 ist angenommen, daß deren Magnetisierungsrichtung nach oben verläuft, wie dieses durch den nach oben gerichteten Pfeil 24 in Fig. 2 dargestellt ist. Von der Schicht 22 ist andererseits angenommen, daß ihre Magnetisierungsrichtung innerhalb der einwandigen Domäne D nach unten gerichtet ist, wie dieses durch den nach unten gerichteten Pfeil 26 in Flg. 2 dargestellt ist. Der Rest der Schicht 22 hat eine nach oben gerichtete Magnetisierung, wie dieses durch die nach oben weisenden Pfeile 27 dargestellt ist. Selbstverständlich existiert eine Domänenwand zwischen der Domäne D und dem Rest der Schicht 22, ebenso zwischen der Domäne D und der Oberflächenschicht 21. Die Domänenwand ist in Fig. 2 mit DW bezeichnet.

Fig. 3 zeigt die Magnetisierung im Bereich D und im Rest der Schicht 22, die gegenüber der in Fig. 2 dargestellten umgekehrt ist. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß keine Domänenwand zwischen der Domäne D und der Magnetisierung der Schicht 21 existiert.

In diesem Zusammenhang sei die Domänenwandenergie betrachtet, die in den Grenzflächen der Schichten 21 und 22 existieren kann. Im Falle von Fig. 2 ist die gesamte Wandenergie an diesen Grenzflächen gegeben durch

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>rr² c_f, (1)

hierin bedeuten <^cc die Wandenergie pro Flächeneinheit und r den Radius des Bezirks. Die Kraft, die zur Änderung der Domänengröße einwirkt, ist gegeben durch

^{s 2rrrC}o? (2)

ar

Dieses kann mit der Kraft verglichen werden, die durch ein übliches angelegtes Vorspannungsfeld H^ erzeugt wird, also

= 4rrrhM_eH. (3)

TF ^{s A}

hierin bedeuten h die Dicke der Schicht 22 und M das

magnetische Sättigungsmoment des Materials der Schicht 22. Wenn jede der Kräfte (2) und (3) normiert wird, und zwar anhand eines angelegten Vorspannungsfeldes H., erkennt man ein neues effektives Feld, das man mit H_w bezeichnen kann:

Man sieht nun, daß die Wandenergie als ein Vorspannungsfeld zu wirken sucht und daß dieses Feld nicht von der Domänengröße abhängt.

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Nimmt man den durchschnittlichen Wert dieses Feldes als Hg an, dann kann eine Dicke h^ für ein spezielles Blatt 11 ausgewählt werden anhand der folgenden Beziehung

Bei dieser Dicke, die in Fig. 4 dargestellt ist, sind die zylindrischen Domänen stabil und werden stabil bleiben, ohne daß hierzu die Gegenwart eines äußeren angelegten Feldes notwendig ist.

Eine zweckmäßige Anordnung der in Fig. 2 dargestellten Art wird beispielsweise hergestellt durch eine epitaktische Niederschlagsmethode aus flüssiger Phase, bei welcher eine Schicht 11 beispielsweise aus Europiumerbiumgadoliniumgranat auf einem Gadoliniumgalliumgranat-Substrat 30 gebildet wird, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Die Schicht 11 hat eine typische Dicke von 4 Mikrometer, worin Domänen mit Durchmessern von 4 Mikrometer durch ein Vorspannungsfeld von 60 Oersted aufrecht erhalten werden. Eine Schicht 21 aus einer Seltene-Erden-Kobaltlegierung mit einer Dicke von 2 Mikrometer und einer Koerzitivkraft von 5000 Oersted erzeugt eine solche Vorspannung anstelle einer äußeren Vorspannungsquelle. Ein Treibfeld von 20 Oersted bewegt Domänen in der Schicht 22, wobei eine Wirkung auf die Magnetisierung der Schicht 21 vernachlässigt werden kann.

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Es gibt alternative Strukturen, bei denen eine zusätzliche Schicht auf der Oberfläche einer geeigneten Schicht aus einem Material, in welchem einwandige Domänen fortbewegt werden können, niedergeschlagen wird. Beispielsweise kann eine stark koerzitive Schicht beispielsweise aus Magnetopumbit oder Chromoxid zu diesem Zweck auf einer epitaktischen Granatschicht niedergeschlagen werden, wobei letzteres als Beispiel für geeignete antiferromagnetische Materialien steht. Alles, , was notwendig ist, ist, daß die Oberflächenschicht - gleichgültig ob gewachsen oder niedergeschlagen - von ausreichend hoher Koerzitivkraft ist, um während des Betriebs permanent eingestellt zu bleiben, und daß die Schicht mit der Körperschicht in Austauschkopplung steht.

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Claims (4)

Patentansprüche eingegangen am.._jLjL.:?..f__ a-.

1. Magnetisierungsdomäne-Übertraguniganordnung mit einem Blatt aus magnetischem Material, in welchem einwandige Magnetisierungdomänen fortbewegt werden können,"wobei das Blatt eine bevorzugte Magnetisierungsrichtung längs einer außerhalb der B^attebene verlaufenden Achse aufweist, und mit Übertragungsmitteln zum Fortbewegen der einwandigen Domänen-in dem Blatt, nach Patent (P 19¹ 56 093.1-53).. dadurch gekennzeichn et, daß das Blatt eine Körperschicht (22), in der die einwandigen Magnetisierungsdomänen fortbewegt werden, und eine Oberflächenschicht (21) aufweist, die in einer längs der besagten Achse verlaufenden Richtung effektiv permanent eingestellt ist und mit der Körperschicht (22) des Blattes in Äustauschkopplung steht. .

2. Magnetisierungsdomäne-Übertragungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Körperschicht (22) aus einem EuropiumerMumgadoliniumgranat aufgebaut ist, in dem die einwandigen Magnetisierungsdomänen fortbewegt werden können.

3* Magnetisierungsdomäne-Übertragungsanordnung nach Anspruch 2> dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (21) eine Seltene-Erde-Kobalt-

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legierung zum Aufrechterhalten eines eingestellten Magnetisierungszustandes in der Körperschicht (22) aufweist.

4. Magnetisierungsdomäne-Übertragungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Körperschicht (22) aus epitaktischem Granat aufgebaut ist, und die Oberflächenschicht (21) eine auf der Körperschicht (22) aufgebrachte Schicht relativ hoher Koerzitivkraft aus Magnetoplimbit oder Chromoxid aufweist.

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