DE2433353C2

DE2433353C2 - Vorrichtung zum Verschieben von magnetischen Domänenwänden

Info

Publication number: DE2433353C2
Application number: DE2433353A
Authority: DE
Inventors: Franciscus Hermanus de Eindhoven Leeuw
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1973-07-23
Filing date: 1974-07-11
Publication date: 1982-04-22
Also published as: NL165868C; CA1033838A; JPS5043846A; FR2238989B1; SE402032B; BE817935A; US3942165A; IT1017319B; NL7310196A; DE2433353A1; JPS5444425B2; SE7409440L; FR2238989A1; GB1459332A; NL165868B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Anwendungsgebiet für Vorrichtungen dieser Art liegt z. B. bei Datenverarbeitungssystemen und insbesondere bei Vorrichtungen, in denen magnetisierbare Schichten mit Einrichtungen, durch die magnetische Domänenwände bewegt werden können, zum Durchführen von logischen. Wiedergabe- und Speicherfunktionen verwendet werden. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß dabei sowohl an gerade magnetische Domänenwände als auch z. B. an kreisförmige Domänenwände, die die Begrenzung sogenannter magnetischer »Bubbles« bilden, zu denken ist.

Aus der Veröffentlichung »Magnetic Bubbles, a Technology in the making«. Electronics, September 1969, S.83-89 sind z.B. Vorrichtungen bekannt, in denen dünne Filme aus magnetisierbarem Material mit einer Vorzugsmagnetisationsrichtung nahezu senkrecht fcu der Kbene des Filmes benutzt werden, in welchen Filmen einwandige magnetische Domänen, d. h. magnetische Domänen, die von einer in sich geschlossenen Wand begrenzt werden und die Form eines Zylinders annehmen können, erzeugt werden. Dabei wird ein Vormagnetisationsfeld mit einer derartigen Stärke und Polarität erzeugt, daß die einzelnen Domänen auf= rechterhalten und als stabile Einheiten bewegt werden können. Die Verschiebung derartiger einwandiger Domänen von einer Lage zu der anderen kann mit Hilfe lokalisierter Magnetfelder stattfinden.

Eine gesteuerte Bewegung der Domänen bzw, der pöfriänenWände ist mittels eines Musters elektrischer Leiter möglich, denen mehrphasige Ströme derart zugeführt werden, daß eine Domäne über eine zuvor bestimmte Bahn reihenmäßig von einem Punkt zu dem anderen bewegt wird.

Eine wettere Möglichkeit für eine gesteuerte Bewegiing magnetischer Domänen bzw. Domänenwände ist die Anwendung eines Musters von Permalloy-Elementen, die eine derartige Form aufweisen, daß sie zusammen mit einem rotierenden Magnetfeld, das mit Hilfe rings um die Vorrichtung angebrachter elektrischer Wicklungen erzeugt werden kann, die Domänen dazu zwingen, sich in einer bestimmten Richtung zu verschieben.

Für Anwendung in Datenverarbeitungssystemen iss: es jedoch erforderlich, daß die Fortbewegungsge-

; 5 schwindigkeit der magnetischen Domänenwände derart hoch ist, daß die gleichen Anzahlen Bits/sec wie mit elektronischen Datenverarbeitungssystemen erzielt werden können.

Aus der Zeitschrift »J. Appl. Phys.«, Vol. 44, No. 4, April 1973 Seiten 1759-1770 ist es bekannt, daß aufgrund theoretischer Berechnungen die Geschwindigkeit der Domänenwand bis zu einem kritischen Wert des Antriebsfeldes steigt und danach auf einen kleineren, praktisch konstanten Wert abfällt Bei den theoretischen Untersuchungen in dieser Veröffentlichung ist dieser Effekt bei seltenen-Erden-Eisen-Granaten nicht genau in dieser Form gefunden worden, sondern danach soif die Geschwindigkeit der Domänenwand bei Antriebsfeldern oberhalb eines bestimmten Wertes praktisch konstant sein. Dabei wird jedoch stets von einem Antriebsfeld ausgegangen, das während der gesamten Verschiebung in konstanter Größe vorhanden ist.

Untersuchungen der Anmelderin haben jedoch ergeben, daß insbesondere bei ferromagnetischen Materialien mit Granatstruktur tatsächlich oberhalb eines bestimmten Wertes des Antriebsfeldes eine plötzliche Verringerung der Geschwindigkeit auftritt. In der deutschen Patentanmeldung P 24 18 839.4 wurde bereits vorgeschlagen, eir, Antiicbsfeld mit einem zeitlichen Verlauf zu verwenden, bei dem zu jedem Zeitpunkt der kritische Wert unterschritten wird. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Wand unter dieser Bedingung fortbewegt, ist dann die höchste erzielbare Geschwindigkeit.

Weitere Untersuchungen haben jedoch ergeben, daß, auch wenn die auf die Domänenwand ausgeübte Kraft oberhalb der genannten kritischen Kraft liegt, die Möglichkeit besteht, die Wand mit einer Geschwindigkeit fortbewegen zu lassen, die in der Größenordnung der vorgenannten maximalen Geschwindigkeit liegt. Es stellt sich nämlich heraus, daß in den wenigen ersten Nanosekunden nach dem Anlegen der Kraft die Geschwindigkeit der Wand schnell auf einen sehr hohen Wert zunimmt und dann plötzlich auf den vorgenannten, der angelegten Kraft entsprechenden, nahezu konstanten Wert abnimmt. Bei hohen Antriebsfeldern ist der Verlauf der Wandgeschwindigkeit mit der Zeit also stark nichtlinear.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum Verschieben von magnetischen Domänenwänden anzugeben, in der die Domänenwän^ de mit einer möglichst größen Gesamtgeschwindigkeit fortbewegt werden,

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahme gelöst.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteren-¹

sprächen gekennzeichnet

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. I einen dünnen Film aus magnetisierbarer!! Material, in dem sich eine Domänenwand befindet;

Fig.2 den Verlauf in der ^Richtung des magnetischen Feldes, in dem sich der Film nach Fi g. 1 befindet;

Fig.3 eine Vorrichtung zur Verschiebung der Domänenwand in dem Film nach Fig. 1;

Fig.4 die zeitliche Verschiebung einer Domänenwand unter der Einwirkung von Antriebsfeldern mit verschiedenen Amplituden, und

Frg. 5 eine graphische Darstellung des charakteristischen Verlaufes der Geschwindigkeit einer Domänenwand mit der Zeit unter der Einwirkung eines Antriebsfeldes.

In F i g. 1 ist ein dünner Film 1 aus magnetisierbarem Material mit einer Vorzugsmagnetisaiionsrichtung senkrecht zu der Ebene des Filmes dargestellt Im vorliegenden Falle hat dieser Film die Zusammensetzung

(Yttrium-Eisen-Granat mit Gallium an einem Teil der Eisenstellen und Lanthan an einem Teil der Yttriumstellen) und eine Dicke von 3,9 μίτι. Dieses Material weist sehr niedrige Verluste auf. Der Film ist durch Epitaxie aus der flüssigen Phase auf einem Substrat 2 aus Gadolinium-Gallium-Granat angewachsen. In dem Film 1 befindet sich eine Domänenwand 3, die durch das Anlegen eines Magnetfeldes senkrecht zu der Ebene des Filmes erhalten ist, wobei die Feldstärke dieses Feldes einen Gradienten in der j-Richtung aufweist (Fig. 2). Das Gradientfeld H(y) wird mit Hilfe der Dauermagnete 4 und 5 erzeugt (Fig.3). Ein (pulsförmiges) magnetisches Antriebsfeld ffrwird mit Hilfe einer sich direkt auf dem dünnen Film 1 befindenden elektrischen Wicklung 6 erzeugt, die mit einem (Puls-)Generator 7 verbunden ist Unter der Einwirkung der Felder H(y) und Hz verschiebt sich die Wand von der stabilen Lage A zu der stabilen Lage B (Fig.2). Ein statisches magnetisches Hilfsfeld H_y mit einer Feldrichtung senkrecht zu der Wand 3 wird mit Hilfe der elektrischen Wicklungen 8 und 9 oder dadurch erzeugt, daß der dünne Film 1 nicht genau symmetrisch zu den Dauermagneten 4 und 5 angeordnet wird. Die Verschiebung der Wand 3 unter der Einwirkung des Antriebsfeldes Hz wird auf magnetooptischem Wege mit Hilfe des Faraday-Effekts detektiert.

In F i g. 4 ist für zwei verschiedene Antriebsfelder Hz

mit einer Feldstärke von 5 · 12- A/m bzw. -— A/m die

An Air

Verschieoung y der Wand in Mikrometer als Funktion der Zeit ί in Nanosekunden dargestellt. Aus der Fig.4 ist ersichtlich, daß der Abstand, den die Wand in den

ersten 20 bis 25 Nanosukunden unter der Einwirkung

des Feldes von -— A/m zurücklegt, größer als der

An
Abstand ist, den sie unter der Einwirkung des Feldes von

5 · -!-=- A/m zurücklegt Nach dieser »Einschalt«-Peri-

An

ode trifft dies nicht mehr zu. Nach z. B. 50 Nanosekunden hat die Wand unter der Einwirkung des Feldes von in³

5 · ir_ A/m einen größeren Abstand als unter der An

Einwirkung des Feldes von —- A/m zurückgelegt Im

An

Falle des Feldes von 5 · iP_ A/m ist die mittlere An
Geschwindigkeit also größer als im Falle des Feldes von I5_ A/m. Auf vorteilhafte Weise kann aber der An

besondere und bisher nicht bekannte Effekt benutzt werden, der in der Einschaltperiode auftritt Dies ist in F i g. 5 veranschaulicht

In F i g. 5 ist der charakteristisch . Verlauf dargestellt den die Geschwindigkeit der Wand ils Funktion der Zeit aufweist, wenn die Wand von einem Feld angetrieben wird, das auf die Wand eine Kraft ausübt die die vorgenannte »kritische« Kraft übersteigt Ein derartiges Feld ist z.B. das an Hand der Fig.4

ι o⁴
beschriebene Feld von — A/m. Es ist deutlich

4.T
ersichtlich, daß in den ersten 20 Nanosekunden nach

so dem Anlegen des Antriebsfeldes db Geschwindigktit schnell auf einen Höchstwert von etwa 900 m/sec zunimmt Ist die Zeitdauer des angelegten Feldes langer, so tritt, wie sich herausstellt, eine plötzliche Abnahme der Geschwindigkeit d. h. eine Diskontinuität in der Geschwindigkeitskurve, auf. Um das Auftreten dieses langsamen »Modus« zu vermeiden, soll nach der Erfindung die Pulsdauer des angelegten Feldes also !kürzer als die Zeit sein, für die die Geschwindigkeitskurve eine Diskontinuität aufweist, in dierem Falle also kürzer als 20 Nanosekunden. Vergleichsweise sei erwähnt daß in den bekannten mit der Verschiebung !"■agnetischer Domänenwände arbeitenden Vorrichtungen die Zeitdauer der angelegten Antriebsfelder in der Größenordnung von MikroSekunden liegt, d. h. etwa hundertmal langer als die vorgenannte Pulsdauer ist Es läßt sich also sagen, daß diese Vorrichtungen in bezug auf die erzielbare Verschiebungsgeschwindigkeit der Domänenwände nicht optimal betrieben werden.

Es sei bemerkt, daß der in F i g. 5 dargestellte Verlauf der Geschwindigkeit mit der Zeit für »Bubblew-Materialien mit niedrigen Verlusten, wie ferromagnetische Granate, charakteristisch ist. Diese Materialien weisen grundsätzlich alle die gleiche Kennlinie auf. Die Za^lenwerte können aber, je nach der Dämpfung.

verschieden sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichniineen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Verschieben von magnetischen Domänenwänden mittels eines auf die Domänenwände einwirkenden magnetischen Antriebsfeides in einer Schicht aus einem seltenen-Erden-Eisen-Granat mit einer Vorzugsmagnetisierungsrichtung nahezu senkrecht zu der Ebene der Schicht, wobei bei dem seltenen-Erden-Eisen-Granat die Geschwindigkeit der Domänenwände eine ansteigende Funktion der Amplitude des Antriebsfeldes bis zu einem kritischen Wert des Antriebsfeldes ist, von dem an die Geschwindigkeit abfällt, dadurch gekennzeichnet, daß für ein Antriebsfeld mit einer den kritischen Wert übersteigenden Amplitude die Pulsdauer des während der Verschiebung auf eine Domänenwand einwirkenden Antriebsfeldes höchstens gleich der Zeitdauer ist, in der die momentane Geschwindigkeit der Domänenwand ein Maximum erreicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsdauer des Antriebsfeldes kürzer als 20 Nanosekunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus einem magnetisierbaren Material mit Granatstrukur besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus Yttrium-Eisen-Granat besteht, das an einem Teil der Eisenstellen Gallium und an einem Teil der Yttriumstellen Lanthan enthält.