EP2430675A1 - Magnetoelektronische bauelemente und messverfahren - Google Patents

Magnetoelektronische bauelemente und messverfahren

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Publication number
EP2430675A1
EP2430675A1 EP10725001A EP10725001A EP2430675A1 EP 2430675 A1 EP2430675 A1 EP 2430675A1 EP 10725001 A EP10725001 A EP 10725001A EP 10725001 A EP10725001 A EP 10725001A EP 2430675 A1 EP2430675 A1 EP 2430675A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
working structure
domain walls
component according
magnetoelectronic
domain
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10725001A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Riccardo Hertel
Ming Yan
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Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP2430675A1 publication Critical patent/EP2430675A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/12—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids
    • G01R33/1292—Measuring domain wall position or domain wall motion
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
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    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G—PHYSICS
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P95/00—Generic processes or apparatus for manufacture or treatments not covered by the other groups of this subclass

Definitions

  • the invention relates to magnetoelectronic components and a measuring method, for the implementation of which these components can be used.
  • Magnetic shift registers also known as “race track memory” are magnetic memories that combine the ruggedness of flash memory, the speed of DRAM memory, and the reversibility and non-volatility of hard drives, such as a shift register (SSP Parkin, M Hayashi, L. Thomas, “Magnetic Domain Wall Racetrack Memory,” Science 320, 190 (2008)).
  • SSP Parkin M Hayashi, L. Thomas, "Magnetic Domain Wall Racetrack Memory,” Science 320, 190 (2008).
  • domain walls are introduced, which walk through the memory structures in length.
  • an effect is utilized which is known as a spin-transfer effect and which has the consequence that magnetic domain walls in thin memory structures can be displaced controlled by the application of electrical currents along these memory structures.
  • Digital data is encoded in the space between two consecutive domain walls, as is common on hard drives.
  • a prerequisite for the function of the above-mentioned elements is the fast and controlled movement of domain walls along thin magnetic stripes.
  • the disadvantage is the speed with which the domains walls in the memory structures or in limited by the Walker limit to a few 100 m / s (NL Schryer, LR Walker, "The motion of 180 ° domain walls in uniform magnetic fields", Journal of Applied Physics 45, 5406 (FIG. Above the maximum speed given by the Walker limit, cyclic structural changes in the magnetization take place in the domain walls, jeopardizing the integrity of the stored or processed information and drastically reducing the speed of storage (M. Kläui, P.O. Jubert, R. Allenspach, A. Bischof, JAC Bland, G. Faini, U. Rüdiger, CAF Vaz, L. ViIa, C. Vouille, "Direct observation of domain wall configurations transformed by spin currents” , Physical Review Letters 95, 026601 (2005)).
  • Another object of the invention is to simplify the determination of the non-adiabatic spin-transfer parameter ⁇ , which is technically significant for such working structures, compared to the prior art.
  • a magnetoelectronic component has been developed.
  • This device comprises at least one elongate working structure made of a ferromagnetic material, along which magnetic domain walls can travel, means for acting upon this working structure with an electric current and at least one magnetic field sensor for the magnetic field emanating from the working structure.
  • elongated structures are wires and in particular nanowires.
  • the working structure is designed in such a way that it can form domain walls whose transverse direction of magnetization has no preferential direction in its center in the plane perpendicular to its direction of travel along the working structure.
  • each transverse magnetization direction of a domain wall is associated with a potential energy with respect to this preferred direction. This energy is greater, the farther the actual transverse magnetization direction is away from the preferred direction.
  • the magnetization in the working structure changes so much that the micromagnetic structure of the domain walls collapses and the accumulated energy is released by spin waves. Magnetic vortices are thereby generated and / or destroyed. In any case, that's it a significant change in the structure of the domain wall compared to the equilibrium case.
  • this kinetic energy assigned to the movement of domain walls is dispensed with. This is no longer a limiting factor for the migration speed along the working structure.
  • the magnetoelectronic component developed by the inventors comprises at least one elongated working structure made of a ferromagnetic material along which magnetic domain walls can travel, means for impinging this working structure with an electric current, and at least one magnetic field sensor for the output from the working structure magnetic field.
  • the working structure is now designed such that it is able to form massless domain walls.
  • Massless domain walls therefore show a dynamic behavior that can be used particularly advantageously for a magnetoelectronic component.
  • Massless domain walls are not subject to the Walker limit and therefore can propagate much faster than bulked domain walls. Since the intrinsic pinning of domain walls is also caused by their mass, massless domain walls are not subject to this pinning and the associated further limitations of dynamics. Massless domain walls migrate through the working structure at a rate that depends essentially linearly on the current density in the working structure. For use in the magnetoelectronic component, this means that it can absorb, process or store information much more quickly and finally output it again than the magnetoelectronic components known from the prior art.
  • Massless domain walls also eliminate the critical current needed to initiate their movement through the work structure. According to the state of the art, high values for this critical current were another obstacle on the way to ready for use for generic magnetoelectronic components. The technical difficulty has hitherto been that currents can only flow up to a certain current through thin working structures without destroying them. On the other hand, since at least one critical current was required to move domain walls at all, the technically useful range of currents was severely limited overall. The work structures have been unnecessarily heated up, wasting scarce electricity, especially in battery-powered mobile applications.
  • massless domain walls exist in an at least partially cylindrical working structure. This is the first evidence ever that massless domain walls exist in a concrete structure. According to the current state of knowledge in the art massless domain walls were only an ideal in the context of the above-described concept of mass domain walls. The proof carried out by the inventors is therefore not limited to providing only a concrete example of a working structure capable of forming massless domain walls. This is rather the general technical teaching that massless domain walls are practically usable for magnetoelectronics at all.
  • boundary conditions follow in particular from the concrete intended use of the component as well as the specifications for the location in a more complex circuit on which the component is to be used. Equipped with the above general technical teaching, he can also apply the means used by the inventors for the proof given in the specific example and specified in the special part of the description to systems which satisfy the boundary conditions specified for him. Thus, he can find from the class of all the boundary conditions sufficient systems that are able to form massless domain walls or the domain walls are able to form the transverse magnetization direction in their center has no preferred direction in the plane perpendicular to their migration direction along the working structure.
  • a work structure characterized by certain specifications in order to enrich these additional advantageous properties is that of the inventors given revelation has become a further engineering step accessible to the person skilled in the art.
  • Massless domain walls or domain walls whose transverse direction of magnetization in their center has no preferential direction in the plane perpendicular to their direction of migration along the working structure may in particular be frontal domain walls. These are domain walls in which the magnetization rotates through the working structure by 180 ° along the direction of migration, whereby the walls separate two areas of the working structure which are magnetized oppositely each other. These areas, in particular along or against the direction of migration of the domain walls, can be magnetized by the working structure.
  • Massless domain walls or domain walls whose transverse direction of magnetization in their center has no preferential direction in the plane perpendicular to their direction of migration along the working structure can in particular be transverse domain walls. Then, the magnetization of the working structure along each cross section perpendicular to the migration direction of the domain walls is substantially homogeneous. The micromagnetic structure then depends only on the position along the working structure and not on the distance to the center of the domain wall.
  • the electric current that can be introduced into the working structure by the corresponding means is the driving force for the migration of the domain walls along the working structure.
  • magnetization changes can also be introduced into the working structure by a local magnetic field and / or by a rotating magnetic field.
  • a rotating magnetic field may be used to further drive the domain walls along the working structure.
  • this propulsion is significantly weaker than the achievable by the electric current propulsion.
  • the working structure has no effective anisotropy perpendicular to the direction of migration of the domain walls along the working structure.
  • a working structure can be realized, for example, in the form of a structure with such a symmetry, in which the component of the shape anisotropy disappears perpendicular to the direction of migration of the domain walls.
  • the domain walls can walk through this working structure, in particular along its axis of symmetry.
  • the structure then advantageously consists of a ferromagnetic material which itself has no crystalline anisotropy.
  • a ferromagnetic material which itself has no crystalline anisotropy.
  • Such a material may, for example, be amorphous and consist of a large number of small and randomly oriented crystallites, so that the crystalline anisotropy no longer has an effect on average.
  • An example of such a material is permalloy.
  • the working structure may also have a shape anisotropy perpendicular to the direction of migration of the domain walls.
  • This can be compensated for example by an opposite, for example, crystalline, anisotropy of the ferromagnetic material.
  • wires with an elliptical, but not circular cross-section can be designed so that the effective anisotropy disappears perpendicular to the direction of migration of the domain walls as a whole.
  • the shape anisotropy can be compensated by material anisotropy along one of the major axes.
  • the working structure is cylindrical at least in one section, in particular as a straight cylinder and particularly advantageously designed as a circular cylinder.
  • This is the embodiment by means of which the inventors have for the first time proved the existence of massless domain walls.
  • the domain walls migrate along the cylinder axis. It was found that massless domain walls only change their position and direction of magnetization during propagation, but not their internal magnetic structure. Due to their high symmetry, a cylindrical working structure does not exhibit shape anisotropy perpendicular to the migration direction of the domain walls, so that it can be made of an amorphous ferromagnetic material without crystalline anisotropy, such as permalloy.
  • such a highly symmetrical working structure is analytically well describable. In the special part of the description, simulatory and analytical investigations are carried out on cylindrical working structures.
  • this cylinder can also have a polygonal cross-section, in particular with a straight number of corners and more preferably with 6, 8 or 12 corners.
  • a straight circular cylinder can be approximated and at the same time be satisfied with other boundary conditions which preclude this straight circular cylinder.
  • the working structure advantageously has at least in one section a diameter of 100 nm or less, preferably 50 nm or less.
  • it has a diameter which is at most 20 times, preferably at most 10 times, the replacement length of the ferromagnetic material.
  • the exchange length in a ferro- magnet is given by its material parameters and is typically about 5 nm. On length scales, which are not much larger than the exchange length, the magnetization usually remains homogeneous. If the diameter becomes much larger than the exchange length, the structure and dynamic properties of the domain walls change as the ferromagnetic long-range order collapses.
  • the ferromagnetic material of the working structure is soft magnetic.
  • a soft magnetic material has a coercive field below 1000 A / m.
  • the soft magnetic material is Permalloy.
  • the magnetic field sensor is a GMR sensor. Such a sensor is a thin-film sensor and can therefore advantageously be produced integrated with the working structure on a substrate.
  • means for measuring the e lectric resistance of the working structure or a portion of the working structure are provided. This resistance depends on the number of domains included in the working structure or in the section due to the anisotropic magnetoresistance (AMR). It also depends on the number of domain walls it contains.
  • AMR anisotropic magnetoresistance
  • the magneto-electronic device may be a shift register for digital data. Then the digital data can be encoded in the space between two consecutive domain walls in the same way as the encoding used on hard disks.
  • the non-Walker limit speed at which the domain walls traverse the working structure increases the access speed of such a shift register so that it can combine the speed of DRAM memories with the reversibility and non-volatility of hard disks.
  • the magnetoelectronic component can also be, for example, a logic gate.
  • a logic gate uniquely assigns an output-side truth value to one or more input-side truth values. How fast this happens when the truth values are encoded in the form of domain walls depends on the speed with which these domain walls travel through the gate.
  • the inventors have proved by analytical calculations that massless domain walls exist in an at least partially cylindrically formed working structure.
  • the angular velocity with which the magnetization direction of massless domain walls rotates perpendicularly to their migration direction through the working structure depends on the usually difficult to determine non-adiabatic spin transfer torque term used to detect spin-current-induced effects of the Gilbert Equation is added.
  • the invention therefore also relates to a method for measuring the non-adiabatic spin transfer parameter ⁇ of a ferromagnetic material. This parameter describes the strength of a component of the torque that acts on the local magnetization of the working structure when conduction electrons travel through a ferromagnetic working structure.
  • the spin of the conduction electrons interacts with the local magnetization.
  • the local magnetization has a torque that is split into two components that are perpendicular to each other and are referred to as the adiabatic spin transfer term or non-adiabatic spin transfer term, respectively.
  • the mathematical form of these torque terms will be described later in the correspondingly extended Gilbert equation.
  • the parameter ⁇ is a dimensionless coefficient describing the strength of the component of the torque associated with the non-adiabatic term.
  • the adiabatic and non-adiabatic spin transfer effect and the associated components of the torque differ in magnetization by two different ways in which the spin of the conduction electrons interacts with the local magnetization.
  • the spin of the conduction electrons adapts instantaneously to each location of the ferromagnetic sample of the local magnetization.
  • This rotation of the electron spin is associated with an angular momentum change. Due to the conservation of the total angular momentum, a correspondingly opposite angular momentum is transmitted to the magnetization. This change in the angular momentum per unit time corresponds to the adiabatic spin-transfer torque acting on the magnetization.
  • the angular velocity with which the direction of magnetization of, in particular massless, domain walls when passing through a working structure of the ferromagnetic material rotates about the direction of the migration is measured.
  • An electron spin introduced into the ferromagnetic working structure may precess around the direction of magnetization of the structure. As a result of the angular momentum conservation, this direction of magnetization also changes.
  • M s is the saturation magnetization
  • ⁇ is the gyromagnetic ratio
  • H e ff is the effective field
  • ⁇ is the Gilbert damping factor
  • ⁇ is the non-magnetic field.
  • the vector ü is defined as
  • g is the landing factor
  • ⁇ is the Bohr magneton
  • e is the elementary charge
  • P is the spin polarization rate of the current.
  • the non-adiabatic spin transfer parameter ⁇ describes the strength of the non-adiabatic contribution of the spin transfer effects, through which the conduction electrons interact with the local magnetization during migration through inhomogeneously magnetized regions (such as a domain wall) and thus torque on the magnetization cause.
  • the angular velocity with which the direction of magnetization of massless domain walls turns when traveling through the working structure around the direction of the migration depends on the difference ( ⁇ - ⁇ ) between the non-directional domain.
  • adiabatic spin transfer parameter ⁇ and the Gilbert damping factor ⁇ By now measuring the angular velocity, ⁇ can be determined, since the value of ⁇ is to be determined in a variety of ways. By contrast, according to the prior art, ⁇ was difficult to measure.
  • the value of ⁇ (Gilbert damping factor) is determined from the velocity at which domain walls migrate through the working structure under the influence of an external magnetic field.
  • the value of the spin polarization P is determined from the velocity with which domain walls migrate through the working structure under the influence of an electrical current. It was recognized that the relationship between this velocity v and the spin polarization P is given by
  • the measured variable v that is, the domain wall velocity
  • the sought-after polarization P the sought-after polarization P.
  • the first term on the right contains only ⁇ and ⁇ . The value of this first term can be set to a very good approximation to one, since both ⁇ and ⁇ are usually much smaller than one:
  • ⁇ and ⁇ can be individually determined and used with the method according to the invention.
  • the second term on the right side of the domain wall velocity equation includes only physical constants (Bohr magneton ⁇ e, elementary charge e, landing factor g) and saturation magnetization M s , commonly known as a material-specific quantity, e.g. B. from literature tables.
  • the electric current density j known from the total current and the cross-section of the working structure, and the desired spin polarization P.
  • the value of P can be reduced to a simple one using known values Determine the method by measuring the domain wall velocity v.
  • the spin polarization P is a technically highly relevant parameter in spintronics. Achievements in this field are often measured by what degree of spin polarization P can be made, injected into a device, and preserved during processing by that device.
  • the value of ⁇ is determined from the frequency at which the direction of magnetization of domain walls under the influence of a current flowing through the working structure performs dipole oscillations.
  • This frequency is coupled via a factor 2 ⁇ directly to the angular velocity with which the direction of magnetization of massless domain walls turns when traveling through the working structure about the direction of the migration. It is experimentally easier to measure the frequency of the dipole oscillations than to directly measure the angular velocity.
  • a distinction between positive and negative values of ⁇ in a direct manner will be difficult in many cases. Different signs of co describe rotations of the domain walls in opposite directions.
  • a longitudinal magnetic field may be applied to move the domain walls in addition to the electrical current along the working structure. The additional magnetic field causes a change in the angular velocity by a value ⁇ proportional to the field strength.
  • FIG. 1 Configuration of a transverse domain wall in a 4 ⁇ m-diameter cylindrical wire with a diameter of 10 nm.
  • Figure 2 Sketch of the characteristic rotational movement of the magnetization direction of domain walls in a cylindrical wire.
  • FIG. 3 Linear velocity of the domain wall as a function of the current density in a cylindrical wire (partial image a); Displacement of the domain wall as a function of time for different values of the current density (partial image b); Comparison of the velocities of the domain walls in cylindrical wires with two different diameters (panel c).
  • FIG. 4 Dynamics of the magnetization direction in the domain wall.
  • the particularly preferred embodiment of a cylindrical working structure has been investigated both with micromagnetic simulations and analytically.
  • the simulation was performed with a finite element algorithm based on the Gilbert equation for normalized local magnetization fh already explained above.
  • Py permalloy
  • UoM 5 IT (saturation magnetization)
  • Figure 1 shows the configuration of a transverse domain wall obtained as a result of the simulation in a 4 ⁇ m diameter cylindrical wire of 10 nm in diameter.
  • the Cartesian coordinate system used for the simulation as well as a spherical coordinate system used for the analytical examination are shown on the lower left in FIG.
  • the configuration of a transverse domain wall in a 100 nm wide and 10 nm thick permalloy strip is shown as a top right insert in FIG.
  • the volume of the wire was discretized into 259,200 tetrahedra with a cell size of approximately 1, 25 nm x 1, 25 nm x 5 nm. Because of the axial symmetry are the Structure of the wall and its energy invariant to rotations of the magnetization in the xy-plane.
  • the domain wall moves in the direction of the electron flow (negative z-direction).
  • the magnetization direction of the domain wall rotates about the wire axis.
  • Figure 2 shows this characteristic rotational movement of the magnetization direction.
  • the black cross sections through the wire drawn here as a tube indicate the position of the domain wall at different times t 1 to t 5 .
  • the arrows in these cross sections indicate the orientation of the transverse direction of magnetization of the domain wall at these times at these locations.
  • the spiral inscribed in the wire illustrates the precession movement of the domain wall.
  • ⁇ was fixed at 0.02 while the value of ⁇ varied between 0 and 0.1.
  • the lines in FIG. 3 a represent analytically calculated values of u. The velocity depends linearly on j and is independent of ß. For comparison, the movement of the domain wall was simulated in a thin strip with the same parameters (insert in Figure 3a).
  • the lines in this application are merely a graphic sketch of the function curve on the basis of the simulated individual values.
  • the domain walls in the round wire are massless. Your profile does not change during the movement. In the simulation, no mass was found for the domain wall, even if unrealistically high values for j or external magnetic fields were adopted, in which the domains collapse by nucleation processes. Whether the domain walls are strictly mathematical or practically massless, but for the technical application in the magnetoelectronic device and in particular in the shift register irrelevant.
  • the structure of the domain wall does not collapse on the basis of the Walker limit.
  • the Walker limit is reached when ⁇ > ⁇ . As indicated by the arrows in the insert in FIG. 3a, this results in a sharp drop in speed.
  • the velocity of the domain wall does not depend on ⁇ .
  • the stripe on the other hand, there is a strong dependence on ß.
  • the domain wall reaches a constant speed as soon as the power is turned on. This observation coincides with the fact that the domain wall has neither mass nor inertia.
  • Figure 3b illustrates this unimpeded movement of the domain wall.
  • the displacement d of the wall is plotted as a function of time t for three different values of j.
  • Figure 3c shows a comparison of the velocities of the domain walls in cylindrical wires with two different diameters D (10 nm and 40 nm). There is only a slight dependence on the wire diameter.
  • FIG. 4 summarizes the dynamics of the magnetization direction in the domain wall. Plotted is the angular velocity at which this direction of magnetization rotates, above the current density j for three different values of ⁇ .
  • ⁇ the angular velocity at which this direction of magnetization rotates
  • ß the angular velocity at which the magnetization direction rotates
  • ß the angular velocity at which the magnetization direction rotates
  • ß the angular velocity at which the magnetization direction rotates
  • ß it was recognized that it is proportional to ( ⁇ - ⁇ ).
  • index wc denotes the center of the domain wall.
  • the domain wall precesses (apart from a prefactor, 1 / (1 + ⁇ 2 ), close to unity) with the Larmor frequency and continues to travel due to the attenuation in the field direction.
  • the movement of domain walls driven by an external field is less interesting because of the weak prefactor ⁇ .
  • the dependence of the angular velocity on the difference between ⁇ and ⁇ opens up interesting perspectives for the measurement of the non-adiabatic spin transfer parameter ⁇ , which is the pre-factor for the non-adiabatic spin transfer torque term and which is usually difficult to determine.
  • the characteristic of the field- and current-driven movement of domain walls in round wires should allow a precise determination of this information, since the value of ⁇ follows from the field-driven velocity.
  • the value of ⁇ can then be determined from the frequency of the current-driven dipole oscillations which follow from the expressions for ⁇ and ⁇ in the current-driven case.
  • the polarization rate P which in this case is almost exactly u, can also be determined from the current-driven velocity of the domain wall (see FIG.
  • the determination of the non-adiabatic spin transfer parameter ⁇ according to the method proposed here can begin with the knowledge or the experimental determination of the value of the damping parameter ⁇ .
  • the measurement of the value of ⁇ may advantageously be done by measuring the velocity at which domain walls move under the influence of a longitudinally applied magnetic field along the working structure. According to the dynamics described above, this speed is through
  • the velocity depends on the gyro magnetic ratio ⁇ and the magnetic field strength H of the driving field, as well as on the magnetic structure of the domain wall. The value describes the
  • ⁇ can be determined from the frequency of the dipole oscillations that the domain walls make while being moved through the working structure under the influence of an electric current.
  • the angular velocity ⁇ is through

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Abstract

Die erfindungsgemäßen magnetoelektronischen Bauelemente umfassen 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 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 Spintransferparameters ß eines ferromagnetischen Materials. Dieses Verfahren wurde im Zuge einer genaueren Untersuchung der erkannten Phänomene entwickelt.

Description

B e s c h r e i b u n g Magnetoelektronische Bauelemente und Messverfahren
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. Atkin- son, D. Petit, R. P. Cowburn, „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 Domänen wände 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 de magne- tic 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. ViIa, C. Vouille, „Direct observation of domainwall 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 ß 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, entfallt 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 ferromagneti- schen 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 Domänen wände 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 Ausfuhrungsform, anhand der die Erfin- der 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 Ferro- magneten ist durch seine Materialparameter gegeben und liegt typischerweise bei etwa 5 nm. Auf Längenskalen, die nicht sehr viel größer sind als die Austauschlänge, bleibt die Magnetisierung meist homogen. Wird der Durchmesser sehr viel größer als die Austauschlänge, ändern sich Struktur und dynamische Eigenschaften der Domänenwände, da die ferromagneti- sche 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 e- lektrischen 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 Nichtflüchtig- keit 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 ß eines ferromagnetischen Materials. Dieser Parameter beschreibt die Stärke einer Komponente des Drehmoments, das auf die lokale Magnetisierung der Arbeitsstruktur wirkt, wenn Leitungselektronen eine ferromagneti- sche 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 ß 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 magneti- sierten 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 Elektronenspins 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 ß 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 ß.
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. Ms ist die Sättigungsmagnetisierung, γ ist das gyromagnetische Verhältnis, H eff ist das effektive Feld, α ist der Gilbert-Dämpfungsfaktor, ß ist der nicht-
adiabatische Spintransferparameter. Der Vektor ü ist definiert als
Hierin ist die Stromdichte, g ist der Lande-Faktor, μβ ist das Bohrsche Magneton, e die Elementarladung und P die Spinpolarisationsrate des Stroms.
Der nicht-adiabatische Spintransferparameter ß 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 (ß-α) zwischen dem nicht- adiabatischen Spintransferparameter ß und dem Gilbert-Dämpfungsfaktor α abhängt. Indem nun die Winkelgeschwindigkeit gemessen wird, kann ß bestimmt werden, da der Wert von α auf vielfältige Weise zu bestimmen ist. Nach dem Stand der Technik war ß 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 Domänenwandge- schwindigkeit, und auf der rechten Seite die gesuchte Polarisation P. Der erste Term auf der rechten Seite enthält nur α und ß. Der Wert dieses ersten Terms kann in sehr guter Näherung mit eins gleich gesetzt werden, da sowohl α als auch ß üblicherweise viel kleiner als eins sind:
Alternativ können die Werte von α und ß 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 μe, Elementarladung e, Lande-Faktor g) und die Sättigungsmagnetisierung Ms, 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 ß (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 (/= 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 co beschreiben Drehungen der Domänenwande in entgegengesetzte Richtungen. Um die aus dem unbekannten Vorzeichen von ω resultierende Zweideutigkeit des Wertes von ß 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 Fällen -ω und +co unterschieden werden, denn der leichter messbare Betrag der Oszillationsfrequenz/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:
Figur 1 : Konfiguration einer transversalen Domänenwand in einem 4 μm langen zylindrischen Draht mit 10 nm Durchmesser.
Figur 2: Skizze der charakteristischen Drehbewegung der Magnetisierungsrichtung von Domänenwänden in einem zylindrischen Draht.
Figur 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).
Figur 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 fh durchgeführt.
In dem untersuchten Ausführungsbeispiel ist die Arbeitsstruktur ein Draht aus Permalloy (Py) mit Materialparametern UoM5=I T (Sättigungsmagnetisierung), verschwindender Anisotropie und Austauschkonstante A=l,3*10"π J/m. Eine solche Arbeitsstruktur kann beispielsweise als magnetisches Schieberegister verwendet werden.
Figur 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 Figur 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 Figur 1 eingezeichnet. Für die Simulation wurde das Volumen des Drahts in 259.200 Tetraeder mit einer Zellengröße von etwa 1 ,25 nm x 1 ,25 nm x 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 Domänen wand in Richtung des Elektronenflusses (negative z-Richtung). Zusätzlich zu der linearen Bewegung entlang der Drahtachse dreht sich die Magnetisierungsrichtung der Domänenwand um die Drahtachse.
Figur 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 t\ 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 ß zwischen 0 und 0,1 variierte.
In Figur 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 ß aufgetragen. Die Linien in Figur 3 a repräsentieren analytisch berechnete Werte von u. Die Geschwindigkeit hängt linear von j ab und ist unabhängig von ß. Zum Vergleich wurde die Bewegung der Domänenwand in einem dünnen Streifen mit den gleichen Parametern simuliert (Einsatz in Figur 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 ß=0 ergibt sich im Draht kein intrinsiches Pin- ning. 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 ß>α wird. Wie durch die Pfeile im Einsatz in Figur 3a angedeutet, hat dies einen starken Einbruch der Geschwindigkeit zur Folge.
Im zylindrischen Draht hängt die Geschwindigkeit der Domänenwand nicht von ß ab. Im Streifen zeigt sich dagegen eine starke Abhängigkeit von ß. 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.
Figur 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.
Figur 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.
Figur 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 ß. In einem Einsatz links unten in Figur 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 ß ab; es wurde erkannt, dass sie proportional zu (ß-α) ist. Die Drehrichtung ändert sich bei α=ß, 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. Ferre, „Domain wall mobility, stability and Walker breakdown in magnetic nanowires", Europhysics Letters 78, 57007 (2007)) entwickelt wurde. Es wurde das links unten in Figur 1 eingezeichnete sphärische Koordinatensystem verwendet. Die Winkelgeschwindigkeiten der Magnetisierung hängen wie folgt von den Drehmomenten Tab, die auf die Wand wirken:
= -JLr. dt M5 θ
^ = fV = _JLr dt M5 φ
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
θ = -aφ
Im statischen äußeren Feld präzediert die Domänenwand also (abgesehen von einem nahe bei eins liegenden Vorfaktor l/(l+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=O 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 Domänenwandstruk- tur 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 fuhrt dessen Symmetrie jedoch dazu, dass die Magnetisierung der Domänenwand frei rotieren kann, ohne dass die Domänenwand dabei deformiert wird. Dabei hängt die Winkelgeschwindigkeit von (ß-α) ab, während die lineare Geschwindigkeit, mit der die Domänenwand sich fortbewegt, unabhängig von ß ist.
Es ist bemerkenswert, dass sowohl Θ als auch φ proportional zu dθ/dz|wc sind, was ein Maß für die Breite der Domänenwand ist. Für die lineare Geschwindigkeit v ist die Breite der Domänenwand wegen v = θ • dzl dθ unmaßgeblich. Die lineare Geschwindigkeit ist somit im Wesentlichen gleich u, das in Figur 3 a in Form von Linien aufgetragen ist. Dies ist die Erklärung dafür, dass die lineare Geschwindigkeit, wie in Figur 3 c 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 Figur 4, aus der sich ergibt, dass die Winkelgeschwindigkeit im dickeren Draht geringer ist. Die Linien in Figur 4 zeigen analytische Werte der Winkelgeschwindigkeit für verschiedene Werte von ß. Diese Linien wurden mit einem Wert von öθ/öz|wc erhalten, der aus einem simulierten Domänenwandprofϊl extrahiert wurde. Die Simulation bestätigt auch fast perfekt das analytisch erhaltene Ergebnis, dass sich für betragsmäßig gleiche (ß-α) mit verschiedenen Vorzeichen die gleichen Winkelgeschwindigkeiten einstellen sollten.
Die Abhängigkeit der Winkelgeschwindigkeit von der Differenz zwischen α und ß eröffnet interessante Perspektiven für die Messung des nicht-adiabatischen Spintransferparameters ß, 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 ß 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 Figur 3 und die entsprechenden Ausführungen im allgemeinen Beschreibungsteil). Die Bestimmung des nicht-adiabatischen Spintransferparameters ß 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
a 1 v = — - Y - H
1 + a' dθ/dz
gegeben. Neben der Dämpfungskonstante α hängt damit die Geschwindigkeit vom gyro- magnetischen Verhältnis γ und der magnetischen Feldstärke H des treibenden Feldes ab, sowie von der magnetischen Struktur der Domänenwand. Der Wert 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 ß 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 dθ I wieder durch Messung ermittelt oder durch Rechnun-
gen abgeschätzt werden kann. Der Wert von u ist durch u = - B j gegeben. Möglichkei-
2eMs ten 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 ß.

Claims

Patentansprüche
1. 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.
2. 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.
3. Magnetoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Beaufschlagung der Arbeitsstruktur mit einem Magnetfeld.
4. Magnetoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsstruktur keine effektive Anisotropie senkrecht zur Wanderungsrichtung der Domänenwände entlang der Arbeitsstruktur aufweist.
5. 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.
6. Magnetoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsstruktur mindestens in einem Abschnitt zylindrisch ausgebildet ist.
7. Magnetoelektronisches Bauelement nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsstruktur mindestens in einem Abschnitt als gerader Zylinder ausgebildet ist.
8. Magnetoelektronisches Bauelement nach einem der 2 vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsstruktur mindestens in einem Abschnitt als Kreiszylinder ausgebildet ist.
9. Magnetoelektronisches Bauelement nach einem der 3 vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsstruktur mindestens in einem Abschnitt als Zylinder mit polygonalem Querschnitt ausgebildet ist.
10. Magnetoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsstruktur mindestens in einem Abschnitt einen Durchmesser von 100 nm oder weniger aufweist.
11. Magnetoelektronisches Bauelement nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsstruktur mindestens in einem Abschnitt einen Durchmesser von 50 nm oder weniger aufweist.
12. 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.
13. 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.
14. Magnetoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ferromagnetische Material der Arbeitsstruktur weichmagnetisch ist.
15. Magnetoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen GMR-Sensor als Magnetfeldsensor.
16. Magnetoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Messung des elektrischen Widerstands der Arbeitsstruktur oder eines Abschnitts der Arbeitsstruktur.
17. Schieberegister für digitale Daten als magnetoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
18. Logisches Gatter als magnetoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
19. Verfahren zur Messung des nicht-adiabatischen Spintransferparameters ß eines ferro- magnetischen Materials, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Winkelgeschwindigkeit gemessen wird, mit der sich die Magnetisierungsrichtung von Domänenwänden beim Durchwandern einer Arbeitsstruktur aus dem ferromag- netischen Material um die Richtung der Wanderung dreht.
20. 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.
21. 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.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht-adiabiatische Spintransferparameter ß aus der Frequenz bestimmt wird, mit der die Magnetisierungsrichtung von Domänenwänden unter dem Einfluss eines durch die Arbeitsstruktur fließenden Stroms Dipoloszillationen vollfuhrt.
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