WO2004084410A1 - Magnetische logikeinrichtung und verfahren zu deren betrieb - Google Patents

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WO2004084410A1
WO2004084410A1 PCT/EP2004/002612 EP2004002612W WO2004084410A1 WO 2004084410 A1 WO2004084410 A1 WO 2004084410A1 EP 2004002612 W EP2004002612 W EP 2004002612W WO 2004084410 A1 WO2004084410 A1 WO 2004084410A1
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magnetic
logical
logic
logic device
magnetization
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PCT/EP2004/002612
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Inventor
Reinhold Koch
Carsten Pampuch
Andreas Ney
Amal K. Das
Original Assignee
Forschungsverbund Berlin E.V.
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K19/00—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
    • H03K19/02—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components
    • H03K19/18—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices

Definitions

  • the invention relates to magnetic logic devices with the features according to the preamble of claim 1, logic circuits composed of such logic devices and methods for their operation.
  • Logic circuits which consist of a large number of freely programmable components and form reconfigurable systems, are generally known.
  • an arrangement of programmable logic devices is provided which can be interconnected via programmable connections depending on the current task (so-called "field programmable gate arrays", FPGA).
  • FPGA circuits require semiconductor components that determine the logic of the circuit with the aid of a stored charge state. Ferroelectric materials are used for this, which store a charge over a long period of time and can thus keep a defined state stable.
  • the disadvantage is that reprogramming, in which the load is changed, is associated with a mechanical load on the storage material. Therefore, the operation ⁇ frequency and lifetime are limited by ferroelectric memories.
  • MR element magnetoresistive element
  • GMR giant magnetoresistive
  • TMR tunnel magnetoresistive
  • MR elements which are usually thin-film components, can be switched as often as required and are characterized in that a " current operating state (here: state of magnetization) is stored without voltage (non-volatile information). Therefore MR components have a considerably reduced power consumption and furthermore the ability to write or read information in principle with extremely short pulses (fs) and extremely high frequencies (GHz) (see T. Gerrits et al. in "Nature", volume 418, 2002, p. 509) Because of the advantages mentioned, MR elements are used as memory components (MRAM, Magnetic Random Access Memory, see for example DE 198 53 447), ie as a passive component, and the following attempts are known to use MR elements as active components in logic devices ,
  • MRAM Magnetic Random Access Memory
  • DE 100 36 356 describes an MR element with three magnetizable layers, which forms a so-called magnetic diode. Disadvantages of the magnetic diode are its complex structure and the limited functionality. By switching the magnetization direction of one of the sub-layers, a logical function can be inverted (e.g. AND to NAND). However, a freely programmable logic circuit, which also requires switching between different basic operations (for example AND to OR), cannot be implemented with the logic device according to DE 100 36 356.
  • DE 100 44 395 C1 proposes a module for a programmable magnetic logic which has two MR elements, each with a magnetic information layer and a magnetic reference layer.
  • the use of this module is limited to the generation of two output signals which are inverted with respect to one another.
  • a field-programmed magnetic logic circuit which comprises a plurality of MR elements and associated MR reference elements.
  • To form a basic logic element at least three MR elements are required.
  • Which logical function the basic logic element performs is defined by a setting on an MR element and its associated MR reference element.
  • the disadvantage of this conventional logic circuit is the high circuit complexity. Furthermore, switching over at least two MR elements is required for function programming.
  • the conventional logic device 10 comprises an MR element 11' with agnetisable layers (adjusting elements) 12 ', 13', two input lines 14 ', 15', an output line 16 'and a RESET line 17'.
  • the input lines 14 ', 15' are connected to a common signal line 18 'with which the MR element 11' can be magnetized.
  • a logical OR operation is carried out with the logic device 10 'as follows.
  • the MR element 11 ' is first reset by applying a predetermined RESET current to the RESET line 17'.
  • the adjusting elements 12 ', 13' are magnetized as a result, for example, with anti-parallel magnetizations (see arrows). Accordingly, the resistance of the MR element 11 ′ is initially high, so that the logic output signal 0 corresponds to a logic “0”. If a logical "1" signal is present on at least one or both of the input lines 14 ', 15' (input current: on), one of the layers (for example 12 ') is magnetized while the other layer maintains its magnetization , As a result, the resistance of the MR Elements, and there is an output signal "1" (OR function). The corresponding NOR function can be achieved by reversing the magnetization of the other layer (here: 13 ').
  • a disadvantage of the conventional logic device 10 ' is that the execution of the logic function depends on the strength of the magnetic fields which are generated with the input lines 14', 15 'in accordance with the respective input variables.
  • the magnetic fields must be reproducibly adjustable even in long-term operation, that is, relatively high demands are made on the constancy of the currents via the input lines 14 ', 15'.
  • the strength of the locally acting magnetic fields can disadvantageously be disturbed by external magnetic fields and the function of the logic device can thus be restricted.
  • a further disadvantage of the logic device 10 'with the individual MR element is the restriction to a specific logic function.
  • other signal currents must be set or other magnetic materials used.
  • DE 100 53 206 Cl a programmable logic device is also described with a single MR element which contains two magnetic layers as magnetic actuating elements.
  • the actuating elements can be magnetized individually or together by applying an electrical conductor to signal currents which are characteristic of logic input variables.
  • the logic device according to DE 100 53 206 Cl has the same disadvantages as the logic device shown in FIG. 4, in particular with regard to the dependence of the switching behavior on the size of the signal currents and the limited selection between different logic functions. Although such a selection is possible, it requires the ready Position of an additional magnetic field and the use of a so-called asteroid switching behavior. This results in restrictions with regard to the selection of the material, the physical properties, the geometry and the dimensions of the control elements.
  • the object of the invention is to provide improved logic devices with which the disadvantages of conventional logic devices are overcome and which are characterized in particular by a simplified structure, reduced restrictions with regard to the accuracy and stability of the setting of quantitative input parameters and material properties for characterizing logical input variables , In particular, the ability to integrate within the framework of integrated logic circuits is to be facilitated.
  • the object of the invention is also to propose improved methods for operating magnetic logic devices with which the disadvantages of conventional methods are overcome.
  • the invention is based on the general technical teaching, a magnetic logic device with to provide at least one magnetic element that has two different magnetization directions coupled to one another.
  • a magnetic logic device with to provide at least one magnetic element that has two different magnetization directions coupled to one another.
  • two independent and distinguishable initial states can be realized with the magnetic element, which can be used for setting and executing logic functions, in particular the AND, OR, NAND, NOR functions.
  • the magnetic element has a switching behavior determined by the coupling of the magnetization directions, with which simplified state changes or functional executions of the logic devices can be implemented.
  • the magnetic element consists of a single flat layer of magnetic material, the magnetization directions of which are coupled.
  • the magnetization directions of the magnetic element run parallel to the layer plane on the one hand and perpendicular to the layer plane on the other hand, there can be advantages for the reliability of the reversal of the magnetization directions by at least one external magnetic field.
  • the individual layer of the magnetic element is preferably formed by a compound from the group of the pnictides, for example MnAs. This material has the advantage that the coupled magnetization directions are provided as a material property in a thin layer formed according to conventional deposition techniques.
  • the magnetic element consists of at least two flat layers of magnetic materials, each of which has different, but coupled magnetization directions. This design can offer advantages in terms of solution of the logic device to the requirements of a specific application and in relation to an expanded range of usable materials.
  • the logic device advantageously comprises a layer structure which comprises the layered magnetic element and an output layer made of magnetic material, with which the orientation of at least one of the magnetization directions of the magnetic element can be read out, for example on the basis of the GMR or TMR effect
  • the determination of a logic output variable at the output layer is advantageously compatible with conventional methods for detecting the logic state of a magnetic logic device, or the output variable can alternatively be determined by other methods for detection of the magnetic state of the magnetic element.
  • Another object of the invention is a logic circuit which comprises a plurality of logic devices according to the invention.
  • the invention is based on the general technical teaching of forming the logical input variables for actuating a magnetic logic device with a magnetic element by aligning external magnetic fields relative to the magnetic element, so that the alignment of two different magnetization directions of the magnetic element coupled to one another is determined .
  • the switching behavior of the magnetic logic device is advantageously determined by the geometric arrangement and coupling of two magnetization directions. This results in the possibility of switching two distinguishable starting states by means of two independent input variables (two physically separate magnetic fields) and not by adding field components.
  • the geometrical alignment of the external magnetic fields is crucial. This increases the reliability of the switching behavior.
  • the AND function is carried out, for example, in that, starting from a starting state in which both magnetizations of the magnetic element with at least one vector component point in negative x and z directions, the external magnetic fields are aligned in accordance with the respective input variables, being logical Output variable if both external magnetic fields are aligned in positive x and z directions, a logical one and otherwise a logical zero is formed.
  • the OR function can be carried out as an operator function in that after setting a starting state in which both magnetizations of the magnetic element with at least one vector component point in positive x and z directions, the external magnetic fields are aligned in accordance with the respective input variables, whereby as logical output variable if both external magnetic fields are aligned in negative x and z directions, a logical zero and otherwise a logical one is formed.
  • Preferred applications of the invention are, on the one hand, the execution of logic operations in which a logic output variable is formed, for example, on the output layer, from logic input variables at inputs of the magnetic element, and, on the other hand, the storage of states which correspond to logic variables.
  • FIG. 1 schematic illustrations of starting states of a logic device according to the invention
  • FIG. 2 switching curves to illustrate the function of a picnic thin-film component
  • Figure 3 is a schematic illustration of a logic circuit according to the invention.
  • Figure 4 a schematic illustration of a conventional logic device (prior art).
  • Exemplary embodiments of the invention are described below by way of example with reference to a thin-film component with a magnetic element from a compound from the group of the Pictide, in particular MnAs. It is emphasized that the implementation of the invention is not limited to the structures and materials described, but can generally be implemented with other magnetic elements which have the described coupling of different magnetization directions.
  • a logic device according to the invention can in particular have one or more magnetic elements with a plurality of magnetic sub-layers and / or a plurality of inputs and / or outputs.
  • not only the logic functions mentioned below, but also logic or arithmetic functions derived therefrom, such as e.g. B. Complements, bit-related queries, inversions, comparison operations, etc. will be realized. The invention is explained below with reference to reference directions which form the x and z spatial directions of a Cartesian coordinate system, which only serves to clarify the illustration and does not constitute a restriction.
  • a magnetic logic device 10 comprises at least one magnetic element 11, which is illustrated in FIG. 1 with two different magnetic states.
  • a MnAs layer with a thickness of z. B. 60 nm on a substrate (not shown) is formed, has two distinguishable and coupled magnetization directions Ml, M2.
  • the magnetization directions M1, M2 can be aligned in all spatial directions that are different from one another. For reasons of clarity, only the vector component lying in the " plane of the magnetic element (x component) and the other magnetization direction M2, the vector component (z component perpendicular to the plane of the magnetic element 11) are referred to below from the one magnetization direction M1 ) considered.
  • the logic device 10 further comprises at least two inputs 14, 15, which are set up for inputting logical input variables on the magnetic element 11.
  • the schematically illustrated inputs 14, 15 each comprise at least one electrical signal conductor. When a signal current is applied to the signal conductors, an external magnetic field is induced, through which the orientation of the coupled magnetization directions can be changed.
  • the coupling of the magnetization directions means that when one of the magnetizations is reversed (eg MI in the x direction), the other magnetization direction (corresponding to M2 in the z direction) is also reversed.
  • the magnetic logic device 10 has two magnetic basic or starting states I, II, which are illustrated in the partial images in FIG. 1. Each of the two states can be used as the start state for a logical operation. Whether or not the magnetization is reversed from a starting state in accordance with a desired logic function depends on an asymmetrical switching behavior of the magnetic element 11. The asymmetrical switching behavior is due to the coupling of the magnetization directions and is described in detail below.
  • the logic device 10 further comprises at least one output 16, which is generally provided for outputting or reading out at least one logic output variable on the magnetic element 11.
  • An output layer 12 to which the output 16 is connected is illustrated by way of example.
  • the output layer 12 consists of a magnetic material which is magnetized, for example, in the positive x direction. Depending on the relative orientation of the magnetizations in the output layer 12 and the magnetic element 11, the electrical resistance of the output layer 12 that can be measured at the output 16 is high (anti-parallel configuration) or low (parallel configuration).
  • the output layer 12 is magnetically separated from the magnetic element 11 in a manner known per se, for example by an intermediate layer (not shown).
  • the output 16 does not necessarily have to be designed for the resistance measurement in accordance with the GMR or TMR effect.
  • the logical output variable can be detected by any measuring method that is suitable for detecting the magnetic state of the magnetic element 11, for example optical, magnetostrictive or electrical measurements can be provided on the magnetic element 11.
  • the electrical signal currents are preferably applied in pulse form to the inputs 14, 15, with advantages in terms of energy consumption and the avoidance of heating of the magnetic element.
  • the pulses have pulse durations in the fs to ms range or frequencies in the GHz to kHz range.
  • FIG. 2 The asymmetrical switching behavior of magnetic elements with coupled magnetization directions is shown in FIG. 2 for the two starting states I (partial image a) and II (partial image b).
  • a MnAs layer on a GaAs substrate was exposed to various external magnetic fields in the x and z directions.
  • a deflection T (arbitrary units) that can be detected with the measuring apparatus the sample represents the current magnetic state (I or II) and the switchings' between two states (inversion of the sign of the Verbiegungs selectedung at each rising z-field strength).
  • the curves show the dependence of the size T (ordinate) on the field strength in the z-direction B z (abscissa) when passing through from a negative z-orientation to a positive z-orientation (partial image A) and vice versa from the positive z-orientation to negative z-orientation (partial image b) with the orientation of the x magnetic field B x as a curve parameter.
  • the transition from magnetic state I (see FIG. 1) to magnetic state II is shown in partial image a.
  • both magnetization directions are directed in the negative x and z spatial directions. If the z field strength is reduced and reversed in the positive z direction, the size T, which represents the transition to the magnetic state II, changes abruptly.
  • the transition to the other state II takes place first for a positive x magnetic field and last for a negative x magnetic field. This means that the magnetic state I is stabilized the longest when a magnetic field is applied in the negative x direction against the reverse z magnetic field. This phenomenon can be explained by the fact that the portion directed in the negative x-direction in magnetic state I is held by the external negative x-magnetic field until the positive z-magnetic field is sufficiently strong that it folds over into magnetic state II.
  • the reverse effect results from the reverse course from magnetic state II to magnetic state I (partial image b).
  • the positive x component of the magnetic state II is held in place by the external x magnetic field and thus the magnetic state II is stabilized longest when the z magnetic field is reversed.
  • the switching behavior shown in FIG. 2 with the asymmetrical stabilization of the magnetic state I by a negative x magnetic field and the magnetic state II by a positive x magnetic field is used to implement the logic functions AND and OR, as will be explained in the following.
  • Magnetic state I (see FIG. 1, FIG. 2, partial image a) is used to implement the AND function. If a negative z magnetic field is present at input 14, the magnetic state of magnetic element 11 is never switched over regardless of the x magnetic field.
  • Output 16 shows the negative z for both a negative and a positive x magnetic field -Direction detected as state "down", which corresponds to a logical zero ('0').
  • a positive z magnetic field is applied to input 14 the overall state depends on the orientation of the one generated via input 15 due to the stabilizing effect of the x magnetic field This magnetic field occurs in a field strength range of the z magnetic field, which is also referred to here as the switching range. If the x magnetic field is directed in the negative direction, it remains in the magnetic state I.
  • the state of the magnetic element 11 reverses into the magnetic state II. Accordingly, the x magnetic field is positive has ("up") which corresponds to a logical one ('1').
  • the position and size of the switching range depends on the materials used and can be determined by simple tests.
  • the magnetic element 11 is thus first reset, in which the inputs 14, 15 are acted upon by predetermined RESET variables in order to start the state I. or II set.
  • the input variables are formed by current signals which, depending on their current direction, represent a logical I or zero and, according to the tables compiled above, are linked to form a logical output variable depending on the starting state.
  • the configuration at output 16 can then be read out.
  • the detection at the output 16 can be modified, for example by negating the output variable 0 or by reversing the magnetization of the output layer 12.
  • FIG. 3 shows a section of a logic circuit 30 according to the invention with a multiplicity of logic devices 10 arranged in a matrix.
  • Each of the logic devices 10 can be equipped with its own control circuit analogously to FIG. 1. Alternatively, several or all of the logic devices 10 can each be connected to a common control circuit.
  • the logic devices 10 are preferably arranged as an integrated circuit and linked via a network 40 of write and read lines, as is known per se from conventional FGPA circuits or MRAM arrays.

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Abstract

Es wird eine magnetische Logikeinrichtung (10) beschrieben, die ein magnetisches Element (11), mindestens zwei Eingänge (14, 15) und mindestens einen Ausgang (16) aufweist, wobei in Abhängigkeit von logischen Eingangsgrössen (IA, IB) an den Eingängen (14, 15) mindestens eine Magnetisierungsrichtung des magnetischen Elements (11) verstellbar ist, die eine logische Ausgangsgrösse 0 = F (IA, IB) am Ausgang (16) bestimmt, und das magnetische Element (11) zwei verschiedene, nicht parallele Magnetisierungsrichtungen (M1, M2) aufweist, die miteinander derart gekoppelt sind, dass bei Umkehrung von einer der Magnetisierungsrichtungen (Ml) auch die jeweils andere Magnetisierungsrichtung (M2)umgekehrt wird.

Description

Magnetische Logikeinrichtung und Verfahren zu deren Betrieb
Die Erfindung betrifft magnetische Logikeinrichtungen mit den -Merkmalen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, aus derartigen Logikeinrichtungen zusammengesetzte Logikschaltungen und Verfahren zu deren Betrieb.
Logikschaltungen, die aus einer Vielzahl frei programmierbarer Bauelemente bestehen und rekonfigurierbare Systeme bilden, sind allgemein bekannt. Es ist beispielsweise eine Anordnung programmierbarer Logikeinrichtungen vorgesehen, die über programmierbare Verbindungen je nach der aktuellen Aufgabe zusammenschaltbar sind (sogenannte "Field Programmable Gate Arrays", FPGA) . FPGA- Schaltungen benötigen für die Programmierbarkeit Halbleiterbauelemente, die mit Hilfe eines gespeicherten Ladungszustandes die Logik der Schaltung festlegen. Dafür werden ferroelektrische Materialien verwendet, die eine Ladung über eine lange Zeit speichern und damit einen definierten Zustand stabil halten können. Nachteilig ist jedoch, dass ümprogrammierungen, bei denen die Ladung verändert wird, mit einer mechanischen Belastung des speichernden Materials verbunden sind. Daher sind die Betriebs¬ frequenz und Lebensdauer von ferroelektrischen Speichern begrenzt.
Die Beschränkung auf eine bestimmte Anzahl von Umschaltzyklen kann mit magnetischen Logikeinrichtungen überwunden werden, deren logische Funktion beispielsweise durch ein magnetoresitives Element (im Folgenden: MR-Element) ausgeführt wird. MR-Elemente besitzen einen elektrischen Widerstand, der auf der Grundlage z. B. des GMR- (giant magnetoresistive) oder des TMR- (tunneling magnetoresistive) -Effekts durch ein äußeres Magnetfeld verändert und zur Erzeugung von logisch verknüpften Signalen verwendet werden kann (siehe W. C. Black et al. in "Journal of Applied Physics", Band 87, 2000, S. 6674-6679).
MR-Elemente, die in der Regel Dünnschichtbauelemente sind, können beliebig oft umgeschaltet werden und sind dadurch gekennzeichnet, dass ein" aktueller Betriebszustand (hier: Magnetisierungszustand) spannungslos gespeichert wird (Nichtflüchtigkeit der Information) . Daher besitzen MR-Bauelemente eine erheblich reduzierte Leistungsaufnahme und des weiteren die Fähigkeit, Informationen prinzipiell mit extrem kurzen Impulsen (fs) und extrem hohen Frequenzen (GHz) zu schreiben oder zu lesen (siehe T. Gerrits et al. in "Nature", Band 418, 2002, S. 509). Bisher werden MR-Elemente wegen der genannten Vorteile als Speicherbausteine (MRAM, Magnetic Random Access Memory, siehe z.B. DE 198 53 447), d. h. als passives Bauelement verwendet. Es sind die folgenden Versuche bekannt, MR-Elemente auch als aktive Bauelemente in Logikeinrichtungen zu verwenden.
In DE 100 36 356 ist ein MR-Element mit drei magnetisierbaren Schichten beschrieben, das eine so genannte magnetische Diode bildet. Nachteile der magnetischen Diode bestehen in deren komplexem Aufbau und der beschränkten Funktionalität. Durch Umschaltung der Magnetisierungsrichtung einer der Teilschichten kann zwar eine logische Funktion invertiert werden (z. B. AND zu NAND) . Eine frei programmierbare Logikschaltung, die auch ein Umschalten zwischen verschiedenen Grundoperationen (z. B. AND zu OR) erfordert, ist mit der Logikeinrichtung gemäß DE 100 36 356 jedoch nicht realisierbar.
In DE 100 44 395 Cl wird ein Baustein für eine programmierbare magnetische Logik vorgeschlagen, der zwei MR-Elemente jeweils mit einer magnetischen Informationsschicht und einer magnetischen Referenzschicht aufweist. Die Anwendung dieses ebenfalls kompliziert aufgebauten Bausteins ist auf die Erzeugung zweier Ausgangssignale beschränkt, die zueinander invertiert sind. In der o. g. Publikation von W. C. Black et al. wird eine feldprogrammierte magnetische Logikschaltung beschrieben, die mehrere MR-Elemente und zugeordnete MR-Referenzelemente umfasst. Uπr ein Logikgrundelement zu bilden, werden mindestens drei MR- Elemente benötigt. Welche logische Funktion das Logikgrundelement ausführt, wird- durch eine Einstellung an einem MR-Element und seinem zugeordneten MR-Referenzelement definiert. Der Nachteil dieser herkömmlichen Logikschaltung besteht im hohen Schaltungsaufwand. Des Weiteren ist zur Funktionsprogrammierung das Umschalten von mindestens zwei MR-Elementen erforderlich.
Von W. C. Black et al. wird in der genannten Publikation des weiteren die Logikfunktion eines einzelnen MR-Ele ents erläutert, das schematisch in Figur 4 illustriert ist. Die herkömmliche Logikeinrichtung 10' umfasst ein MR-Element 11' mit agneti- sierbaren Schichten (Stellelementen) 12', 13', zwei Eingangsleitungen 14', 15', einer Ausgangsleitung 16' und einer RESET- Leitung 17'. Die Eingangsleitungen 14', 15' sind zu einer gemeinsamen Signalleitung 18' verbunden, mit der das MR-Element 11' magnetisierbar ist. Mit der Logikeinrichtung 10' wird eine logische OR-Operation wie folgt ausgeführt.
Zunächst erfolgt ein Rücksetzen des MR-Elements 11', indem die RESET-Leitung 17 ' mit einem vorbestimmten RESET-Strom beaufschlagt wird. Die Stellelemente 12', 13' werden dadurch beispielsweise mit antiparallelen Magnetisierungen magnetisiert (siehe Pfeile) . Entsprechend ist der Widerstand des MR-Elements 11' zunächst hoch, so dass das logische Ausgangssignal 0 einer logischen "0" entspricht. Wenn an mindestens einer oder beiden der Eingangsleitungen 14', 15' ein logisches "1"-Signal anliegt (Eingangsstrom: Ein), wird eine der Schichten (z. B. 12') ummag- netisiert, während die andere Schicht ihre Magnetisierung beibehält. Im Ergebnis verringert sich der Widerstand des MR- Elements, und es ergibt sich ein Ausgangssignal "1" (OR- Funktion) . Die entsprechende NOR-Funktion kann durch Umkehrung der Magnetisierung der anderen Schicht (hier: 13') erzielt werden.
Ein Nachteil der herkömmlichen Logikeinrichtung 10' ist es, dass die Ausführung der Logikfunktion von der Stärke der Magnetfelder abhängt, die mit den Eingangsleitungen 14', 15' entsprechend der jeweiligen Eingangsgrößen erzeugt werden. Für eine zuverlässige Funktion müssen die Magnetfelder auch im Langzeitbetrieb reproduzierbar einstellbar sein, das heißt es werden relativ hohe Anforderungen an die Konstanz der Ströme über die Eingangsleitungen 14', 15' gestellt. Des Weiteren kann die Stärke der unterschiedlich lokal wirkenden Magnetfelder nachteiligerweise durch externe Magnetfelder gestört und damit die Funktion der Logikeinrichtung eingeschränkt werden.
Nachteilig an der Logikeinrichtung 10' mit dem einzelnen MR- Element ist des weiteren die Beschränkung auf eine bestimmte Logikfunktion. Um nicht die OR-, sondern die AND-Funktion zu realisieren, müssen andere Signalströme eingestellt oder andere magnetische Materialien verwendet werden.
In DE 100 53 206 Cl ist eine programmierbare Logikeinrichtung ebenfalls mit einem einzelnen MR-Element beschrieben, das als magnetische Stellelemente zwei magnetische Schichten enthält. Die Stellelemente sind analog zu Figur 4 durch Beaufschlagung eines elektrischen Leiters mit Signalströmen, die für logische Eingangsgrößen charakteristisch sind, einzeln oder gemeinsam magnetisierbar . Die Logikeinrichtung gemäß DE 100 53 206 Cl besitzt die gleichen Nachteile wie die in Figur 4 gezeigte Logikeinrichtung, insbesondere hinsichtlich der Abhängigkeit des Schaltverhaltens von der Größe der Signalströme und der beschränkten Auswahl zwischen verschiedenen Logikfunktionen. Eine derartige Auswahl ist zwar möglich, erfordert aber die Bereit- Stellung eines zusätzlichen magnetischen Feldes und die Ausnutzung eines sogenannten Asteroid-Schaltverhaltens. Damit ergeben sich Beschränkungen in Bezug auf die Auswähl des Materials, der physikalischen Eigenschaften, der Geometrie und der Dimensionen der Stellelemente.
Die genannten Nachteile herkömmlicher magnetischer Logikeinrichtungen sind noch stärker ausgeprägt, wenn eine Vielzahl von Logikeinrichtungen in einer Logikschaltung integriert werden soll. Es besteht das Risiko, dass sich benachbarte Logikeinrichtungen stören, indem gegenseitig eine Beeinflussung der Magnetfeldstärken erfolgt. Des Weiteren ist mit den herkömmlichen Logikeinrichtungen eine Miniaturisierung zum Aufbau integrierter Logikschaltungen nur beschränkt möglich.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Logikeinrichtungen bereitzustellen, mit denen die Nachteile herkömmlicher Logikeinrichtungen überwunden werden und die sich insbesondere durch einen vereinfachten Aufbau, verminderte Beschränkungen in Bezug auf die Genauigkeit und Stabilität der Einstellung von quantitativen Eingangsparametern und Materialeigenschaften zur Charakterisierung von logischen Eingangsgrößen auszeichnen. Es soll insbesondere die Integrationsfähigkeit im Rahmen integrierter Logikschaltungen erleichtert werden. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, verbesserte Verfahren zum Betrieb magnetischer Logikeinrichtungen vorzuschlagen, mit denen die Nachteile herkömmlicher Verfahren überwunden werden.
Diese Aufgaben werden durch Logikeinrichtungen und Verfahren zu deren Betrieb mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 oder 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Vorrichtungsbezogen basiert die Erfindung auf der allgemeinen technischen Lehre, eine magnetische Logikeinrichtung mit indes- tens einem magnetischen Element bereitzustellen, dass zwei verschiedene, miteinander gekoppelte Magnetisierungsrichtungen aufweist. Durch die Kopplung der Magnetisierungsrichtungen können mit dem magnetischen Element zwei unabhängige und unterscheidbare Anfangszustände realisiert werden, die für die Einstellung und Ausführung von Logikfunktionen, insbesondere der Funktionen AND, OR, NAND, NOR genutzt werden können. Das magnetische Element besitzt ein durch die Kopplung der Magnet'isierungsrichtun- gen bestimmtes Schaltverhalten, mit dem vereinfacht Zustandsän- derungen oder Funktionsausführungen der Logikeinrichtungen realisierbar sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das magnetische Element aus einer einzigen ebenen Schicht aus magnetischem Material, dessen Magnetisierungsrichtungen gekoppelt sind. In diesem Fall ergeben sich besondere Vorteile in Bezug auf den vereinfachten Aufbau der Logikeinrichtung mit nur einer Schicht zum Einstellen und Schalten von Zuständen. Wenn die Magnetisierungsrichtungen des magnetischen Elements einerseits parallel zur Schichtebene und andererseits senkrecht auf der Schichtebene verlaufen, können sich Vorteile für die Zuverlässigkeit der Umkehrung der Magnetisierungsrichtungen durch mindestens ein äußeres Magnetfeld ergeben. Die einzelne Schicht des- magnetischen Elements wird vorzugsweise durch eine Verbindung der Gruppe der Pnictide, zum Beispiele MnAs gebildet. Dieses Material besitzt den Vorteil, dass die gekoppelten Magnetisierungsrichtungen in einer nach an sich herkömmlichen Abschei- dungstechniken gebildeten Dünnschicht als Materialeigenschaft bereitgestellt werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung besteht das magnetische Element aus mindestens zwei ebenen Schichten aus magnetischen Materialien, die jeweils verschiedene, jedoch miteinander gekoppelte Magnetisierungsrichtungen aufweisen. Bei dieser Gestaltung können sich Vorteile in Bezug auf die Anpas- sung der Logikeinrichtung an die Anforderungen einer konkreten Anwendung und in Bezug auf einen erweiterten Bereich verwendbarer Materialien ergeben.
Vorteilhafterweise umfasst die erfindungsgemäße Logikeinrichtung einen Schichtaufbau, der das schichtförmige magnetische Element und eine Ausgangsschicht aus magnetischem Material umfasst, mit " der die Ausrichtung mindestens einer der Magnetisierungsrichtungen des magnetischen Elements, z. B. auf der Grundlage des GMR- oder TMR-Effekts auslesbar ist. Vorteilhafterweise ist die Ermittlung einer logischen Ausgangsgröße an der Ausgangsschicht mit herkömmlichen Verfahren zur Detektion des logischen Zustands einer magnetischen Logikeinrichtung kompatibel. Alternativ kann die Ausgangsgröße durch andere Verfahren zur Detektion des magnetischen Zustands des magnetischen Elements ermittelt werden.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Logikschaltung, die eine Vielzahl erfindungsgemäßer Logikeinrichtungen umfasst.
Verfahrensbezogen basiert die Erfindung auf der allgemeinen technischen Lehre, zur Betätigung einer magnetischen Logikeinrichtung mit einem magnetischen Element die logischen Eingangsgrößen durch die Ausrichtung äußerer Magnetfelder relativ zum magnetischen Element zu bilden, so dass die Ausrichtung von zwei verschiedenen, miteinander gekoppelten Magnetisierungsrichtungen des magnetischen Elements festgelegt wird. Vorteilhafterweise wird erfindungsgemäß das Schaltverhalten der magnetischen Logikeinrichtung durch die geometrische Anordnung und Kopplung von zwei Magnetisierungsrichtungen bestimmt. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, zwei unterscheidbare Startzustände durch zwei unabhängige Eingangsgrößen (zwei physikalisch getrennte Magnetfelder) und nicht durch Addition von Feldkomponenten zu schalten. Es kommt entscheidend auf die geometrische Ausrichtung der äußeren Magnetfelder an. Dadurch wird die Zuverlässigkeit des Schaltverhaltens erhöht. Als Operatorfunktion wird beispielsweise die AND-Funktion ausgeführt, indem ausgehend von einem Startzustand, in dem beide Magnetisierungen des magnetischen Elements mit wenigstens einer Vektorkomponente in negative x- und z-Richtungen weisen, die äußeren Magnetfelder entsprechend den jeweiligen Eingangsgrößen ausgerichtet werden, wobei als logische Ausgangsgröße, wenn beide äußeren Magnetfelder in positive x- und z-Richtungen ausgerichtet sind, eine logische Eins und sonst eine logische Null gebildet wird.
Umgekehrt kann als Operatorfunktion die OR-Funktion ausgeführt werden, indem nach Einstellung eines Startzustands, in dem beide Magnetisierungen des magnetischen Elements mit wenigstens einer Vektorkomponente in positive x- und z-Richtungen weisen, die äußeren Magnetfelder entsprechend den jeweiligen Eingangsgrößen ausgerichtet werden, wobei als logische Ausgangsgröße, wenn beide äußeren Magnetfelder in negative x- und z-Richtungen ausgerichtet sind, eine logische Null und sonst eine logische Eins gebildet wird.
Bevorzugte Anwendungen der Erfindung sind einerseits die Ausführung von logischen Operationen, bei denen aus logischen Eingangsgrößen an Eingängen des magnetischen Elements eine logische Ausgangsgröße bspw. an der Ausgangsschicht gebildet wird, und andererseits die Speicherung von Zuständen, die logischen Größen entsprechen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Figur 1: schematische Illustrationen von Startzuständen einer erfindungsgemäßen Logikeinrichtung; Figur 2: Schaltkurven zur Illustration der Funktion eines Pnic- tid-Dünnschichtbauelements;
Figur 3: eine schematische Illustration einer erfindungsgemäßen Logikschaltung; und
Figur 4: eine schematische Illustration einer herkömmlichen Logikeinrichtung (Stand der Technik) .
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter beispielhaftem Bezug auf ein Dünnschichtbauelement mit einem magnetischen Element aus einer Verbindung aus der Gruppe der Pictide, insbesondere MnAs beschrieben. Es wird betont, dass die Umsetzung der Erfindung nicht auf die beschriebenen Strukturen und Materialien beschränkt, sondern allgemein mit anderen magnetischen Elementen realisierbar ist, die die beschriebene Kopplung verschiedener Magnetisierungsrichtungen aufweisen. Eine erfindungsgemäße Logikeinrichtung kann insbesondere ein oder mehrere magnetische Elemente mit mehreren magnetischen Teilschichten und/oder mehrere Ein- und/oder Ausgänge besitzen. Des Weiteren können erfindungsgemäß nicht nur die unten genannten logischen Funktionen, sondern auch davon abgeleitete logische oder arithmetische Funktionen, wie z. B. Komplementbildungen, bitbezogene Abfragen, Invertierungen, Vergleichsoperationen u.s.w. realisiert werden. Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezug auf Referenzrichtungen erläutert, die die x- und z-Raumrich- tungen eines kartesischen Koordinatensystems bilden, was lediglich der Klarheit der Darstellung dient und keine Beschränkung darstellt .
Eine erfindungsgemäße magnetische Logikeinrichtung 10 umfasst mindestens ein magnetisches Element 11, das in Figur 1 mit zwei verschiedenen magnetischen Zuständen illustriert ist. Das magnetische Element 11, das bspw. durch eine MnAs-Schicht mit einer Dicke von z. B. 60 nm auf einem Substrat (nicht dargestellt) ge- bildet ist, besitzt zwei unterscheidbare und gekoppelte Magnetisierungsrichtungen Ml, M2. Die Magnetisierungsrichtungen Ml, M2 können in allen, zueinander jeweils verschiedenen Raumrichtungen ausgerichtet sein. Aus Übersichtlichkeitsgründen werden im Folgenden von der einen Magnetisierungsrichtung Ml lediglich die Vektorkomponente, die in der" Ebene des magnetischen Elements liegt (x-Komponente) und von der anderen Magnetisierungsrichtung M2, die auf der Ebene des magnetischen Elements 11 senkrecht stehende Vektorkomponente (z-Komponente) betrachtet.
Die Logikeinrichtung 10 umfasst ferner mindestens zwei Eingänge 14, 15, die zur Eingabe logischer Eingangsgrößen am magnetischen Element 11 eingerichtet sind. Die schematisch illustrierten Eingänge 14, 15 umfassen jeweils mindestens einen elektrischen Signal-Leiter. Bei Beaufschlagung der Signal-Leiter mit einem Signalstrom wird jeweils ein äußeres Magnetfeld induziert, durch das die Orientierung der gekoppelten Magnetisierungsrichtungen veränderlich ist.
Die Kopplung der Magnetisierungsrichtungen bedeutet, dass bei Umkehrung von einer der Magnetisierungen (z. B. Ml in x-Rich- tung) auch die jeweils andere Magnetisierungsrichtung (entsprechend M2 in z-Richtung) umgekehrt wird. Die magnetische Logikeinrichtung 10 besitzt zwei magnetische Grund- oder Startzustände I, II, die in den Teilbildern der Figur 1 illustriert sind. Jeder der beiden Zustände kann als Startzustand für eine logische Operation verwendet werden. Ob ausgehend von einem Startzustand eine Umkehrung der Magnetisierung entsprechend einer gewünschten logischen Funktion erfolgt oder nicht, hängt von einem asymmetrischen Schaltverhalten des magnetischen Elements 11 ab. Das asymmetrischen Schaltverhalten ist durch die Kopplung der Magnetisierungsrichtungen bedingt und wird im Einzelnen unten beschrieben. Die Logikeinrichtung 10 umfasst des Weiteren mindestens einen Ausgang 16, der allgemein zur Ausgabe oder zum Auslesen mindestens einer logischen Ausgangsgröße am magnetischen Element 11 vorgesehen ist. Beispielhaft ist eine Ausgangsschicht 12 illustriert, mit der der Ausgang 16 verbunden ist. Die Ausgangsschicht 12 besteht aus einem magnetischen Material, das bspw. in positiver x-Richtung magnetisiert ist. Je nach der relativen Ausrichtung der Magnetisierungen in der Ausgangsschicht 12 und dem magnetischen Element 11 ist der am Ausgang 16 messbare elektrische Widerstand der Ausgangsschicht 12 hoch (antiparallele Konfiguration) oder niedrig (parallele Konfiguration) . Die Ausgangsschicht 12 ist vom magnetischen Element 11 in an sich bekannter Weise magnetisch getrennt, zum Beispiel durch eine Zwischenschicht (nicht dargestellt) .
Es wird betont, dass der Ausgang 16 nicht notwendig für die Widerstandsmessung entsprechend dem GMR- oder TMR-Effekt ausgelegt sein muss. Alternativ kann die logische Ausgangsgröße durch jedes Messverfahren detektiert werden, dass geeignet ist, den magnetischen Zustand des magnetischen Elements 11 zu erfassen, wobei bspw. optische, magnetostriktive oder elektrische Messungen am magnetischen Element 11 vorgesehen sein können.
Die elektrischen Signalströme werden vorzugsweise in Pulsform an die Eingänge 14, 15 gelegt, wobei sich Vorteile in Bezug auf den Energieverbrauch und die Vermeidung einer Erwärmung des magnetischen Elements ergeben können. Die Pulse besitzen Pulsdauern im fs- bis ms-Bereich bzw. Frequenzen im GHz- bis kHz-Bereich.
Das asymmetrische Schaltverhalten magnetischer Elemente mit gekoppelten Magnetisierungsrichtungen ist in Figur 2 für die zwei Startzustände I (Teilbild a) und II (Teilbild b) gezeigt. Eine MnAs-Schicht auf einem GaAs-Substrat wurde verschiedenen äußeren Magnetfeldern in x- und z-Richtung ausgesetzt. Eine mit der Messapparatur erfassbare Verbiegung T (willkürliche Einheiten) der Probe repräsentiert den aktuellen magnetischen Zustand (I oder II) und das Umspringen' zwischen beiden Zuständen (Umkehrung des Vorzeichens der Verbiegungsänderung bei jeweils steigender z-Feldstärke) . Die Kurven zeigen die Abhängigkeit der Größe T (Ordinate) von der Feldstärke in z-Richtung Bz (Abszisse) beim Durchlauf von einer negativen z-Ausrichtung zu einer positiven z-Ausrichtung (Teilbild A) und umgekehrt von der positiven z- Ausrichtung zur negativen z-Ausrichtung (Teilbild b) mit der Ausrichtung des x-Magnetfeldes Bx als Kurvenparameter.
In Teilbild a ist der Übergang vom magnetischen Zustand I (siehe Figur 1) zum magnetischen Zustand II gezeigt. Im magnetischen Zustand I sind beide Magnetisierungsrichtungen in die negativen x- und z-Raumrichtungen gerichtet. Wird die z-Feldstärke vermindert und in die positive z-Richtung umgekehrt, so erfolgt die sprunghafte Änderung der Größe T, die den Übergang in den magnetischen Zustand II repräsentiert. Der Übergang in den anderen Zustand II erfolgt für ein positives x-Magnetfeld zuerst und für ein negatives x-Magnetfeld zuletzt. Dies bedeutet, dass der magnetische Zustand I beim Anliegen eines Magnetfeldes in negativer x-Richtung gegen das umgekehrte z-Magnetfeld am längsten stabilisiert wird. Diese Erscheinung ist damit zu erklären, dass der in negative x-Richtung gerichtete Anteil beim magnetischen Zustand I durch das äußere negative x-Magnetfeld festgehalten wird, bis das positive z-Magnetfeld genügend stark ist, das ein Umklappen in den magnetischen Zustand II erfolgt.
Beim umgekehrten Verlauf vom magnetischen Zustand II hin zum magnetischen Zustand I (Teilbild b) ergibt sich der umgekehrte Effekt. Die positive x-Komponente des magnetischen Zustands II wird durch das äußere x-Magnetfeld festgehalten und damit der magnetische Zustand II bei Umkehrung des z-Magnetfeldes am längsten stabilisiert. Das in Figur 2 gezeigte Schaltverhalten mit der asymmetrischen Stabilisierung des magnetischen Zustands I durch ein negatives x-Magnetfeld und des magnetischen Zustands II durch ein positives x-Magnetfeld wird zur Realisierung der Logikfunktionen AND und OR verwendet, wie im Folgenden erläutert wird.
Zur Realisierung der AND-Funktion wird vom magnetischen Zustand I (siehe Fig. 1, Fig. 2, Teilbild a) ausgegangen. Wenn am Eingang 14 ein negatives z-Magnetfeld anliegt, so erfolgt unabhängig vom x-Magnetfeld in keinem Fall ein Umschalten des magnetischen Zustands des magnetischen Elements 11. Am Ausgang 16 wird sowohl für ein negatives als auch für ein positives x-Magnetfeld die negative z-Richtung als Zustand „down" detektiert, der einer logischen Null ('0') entspricht. Beim Anlegen eines positiven z- Magnetfeldes am Eingang 14 hängt der Gesamtzustand aufgrund der stabilisierenden Wirkung des x-Magnetfeldes von der Ausrichtung des über den Eingang 15 erzeugten x-Magnetfeldes ab. Diese Abhängigkeit ist in einem Feldstärkebereich des z-Magnetfelds gegeben, der hier auch als Schaltbereich bezeichnet wird. Wenn das x-Magnetfeld in negative Richtung gerichtet ist, bleibt es beim magnetischen Zustand I. Wenn es hingegen in positive Richtung gerichtet ist, so kehrt sich der Zustand des magnetischen Elements 11 in den magnetischen Zustand II um. Entsprechend ist das x-Magnetfeld positiv ausgerichtet („up") was einer logischen Eins ('1') entspricht. Die Lage und Größe des Schaltbereiches hängt von den verwendeten Materialien ab und kann durch einfache Versuche ermittelt werden.
Die verschiedenen Zustände der AND-Funktion sind in der folgenden Logiktabelle zusammengefasst .
Figure imgf000016_0001
Zur Realisierung der OR-Funktion wird umgekehrt vom Anfangszustand II (siehe Fig. 1, Fig. 2, Teilbild b) ausgegangen. Lediglich wenn im entsprechenden Schaltbereich sowohl das z- Magnetfeld als auch das x-Magnetfeld an den Eingängen 14 und 15 in die negative Raumrichtung ausgerichtet sind, kommt es zum Übergang in den magnetischen Zustand I, der der logischen Null entspricht, während in allen anderen Fällen der magnetische Zustand II entsprechend der logischen I erhalten bleibt.
Die verschiedenen Zustände der OR-Funktion sind in der folgenden Logiktabelle zusammengefasst .
Figure imgf000016_0002
Zur Durchführung einer logischen Operation erfolgt somit zunächst ggf. ein Rücksetzen des magnetischen Elements 11, in dem die Eingänge 14, 15 mit vorbestimmten RESET-Größen beaufschlagt werden, um den Startzustand I . oder II einzustellen. In einem zweiten Schritt werden die Eingangsgrößen durch Stromsignale gebildet, die je nach ihrer Stromrichtung eine logische I oder Null repräsentieren und entsprechend den oben zusammengestellten Tabellen je nach dem Startzustand zu einer logischen Ausgangsgröße verknüpft werden. Anschließend kann die Konfiguration am Ausgang 16 ausgelesen werden. Zur Realisierung der NAND- oder NOR-Funktionen kann die Detektion am Ausgang 16 modifiziert werden, zum Beispiel durch Negation der Ausgangsgröße 0 oder durch Ummagnetisierung des Ausgangsschicht 12.
Figur 3 zeigt ausschnittsweise eine erfindungsgemäße Logikschaltung 30 mit einer Vielzahl von matrixartig angeordneten Logikeinrichtungen 10. Jede der Logikeinrichtungen 10 kann analog zu Figur 1 mit einer eigenen Steuerschaltung ausgestattet sein. Alternativ können mehrere oder alle Logikeinrichtungen 10 jeweils mit einer gemeinsamen Steuerschaltung verbunden sein. Die Logikeinrichtungen 10 sind vorzugsweise als integrierte Schaltung angeordnet und über ein Netzwerk 40 von Schreib- und Leseleitungen verknüpft, wie es an sich von herkömmlichen FGPA-Schaltungen oder MRAM-Arrays bekannt ist.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Magnetische Logikeinrichtung (10), die ein magnetisches Element (11), mindestens zwei Eingänge (14, 15) und mindestens einen Ausgang (16) aufweist, wobei in Abhängigkeit von logischen Eingangsgrößen (IA, IB) an den Eingängen (14, 15) mindestens eine Magnetisierungsrichtung des magnetischen Elements (11) verstellbar ist, die eine logische Ausgangsgröße 0 = F (IA, IB) am Ausgang (16) bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Element (11) zwei verschiedene, nicht parallele Magnetisierungsrichtungen (Ml, M2) aufweist, die miteinander derart gekoppelt sind, dass bei Umkehrung von einer der Magnetisierungsrichtungen (Ml) auch die jeweils andere Magnetisierungsrichtung (M2) umgekehrt wird.
2. Magnetische Logikeinrichtung nach Anspruch 1, bei der das magnetische Element (11) aus einer ebenen Schicht aus einem magnetischem Material besteht, in dem die Magnetisierungsrichtungen (Ml, M2) einstellbar sind.
3. Magnetische Logikeinrichtung nach Anspruch 2, bei der eine der Magnetisierungsrichtungen (Ml) wenigstens eine Komponente in einer Ebene parallel zu der Schicht aus magnetischem Material und die andere der Magnetisierungsrichtungen (M2) wenigstens eine Komponente in einer Richtung senkrecht zu der Schicht aus magnetischem Material aufweisen.
4. Magnetische Logikeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der das magnetische Material eine Verbindung aus der Gruppe der Pictide umfasst.
5. Magnetische Logikeinrichtung nach Anspruch 4, bei der das magnetische Material MnAs umfasst.
6. Magnetische Logikeinrichtung nach Anspruch 1, bei der das magnetische Element (11) aus mindestens zwei ebenen Schichten aus magnetischen Materialien besteht, wobei in jeder der Schichten eine der Magnetisierungsrichtungen (Ml, M2) einstellbar ist.
7. Magnetische Logikeinrichtung nach Anspruch 6, bei der eine der Magnetisierungsrichtungen (Ml) wenigstens eine Komponente in einer Ebene parallel zu den Schichten aus magnetischen Materialien und die andere der Magnetisierungsrichtungen (M2) wenigstens eine Komponente in einer Richtung senkrecht zu den Schichten aus magnetischen Materialien aufweisen.
8. Magnetische Logikeinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der benachbart zum magnetischen Element (11) eine Ausgangsschicht (12) aus magnetischem Material vorgesehen ist, mit der die Ausrichtung der mindestens einen Magnetisierungsrichtung (Ml, M2) des magnetischen Elements (11) erfassbar ist.
9. Magnetische Logikeinrichtung nach Anspruch 8, bei der der elektrische Widerstand der Ausgangsschicht (12) von der Ausrichtung der mindestens einen Magnetisierungsrichtung (Ml, M2) des magnetischen Elements (11) abhängt und die logische Ausgangsgröße 0 = F (IA, IB) bestimmt.
10. Logikschaltung (30), die eine Vielzahl von Logikeinrichtungen (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
11. Verfahren zum Betrieb einer magnetischen Logikeinrichtung (10) , die ein magnetisches Element (11) , mindestens zwei Ein- gänge (14, 15) und mindestens einen Ausgang (16) aufweist, wobei durch mindestens eine logische Operation aus logischen Eingangsgrößen (IA, IB) an den Eingängen (14, 15) mit einer Operatorfunktion F mindestens eine logische Ausgangsgröße 0 = F (IA, IB) am Ausgang (16) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass als logische Eingangsgrößen (IA, IB) äußere Magnetfelder gebildet werden, deren Ausrichtungen relativ zum magnetischen Element (11) die Ausrichtung von zwei verschiedenen, nicht parallelen Magnetisierungsrichtungen (Ml, M2) des magnetischen Elements (11) bestimmen, die miteinander derart gekoppelt sind, dass bei Umkehrung von einer der Magnetisierungsrichtungen (Ml) auch die jeweils andere Magnetisierungsrichtung umgekehrt (M2) wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem als Operatorfunktion F die AND-Funktion ausgeführt wird, indem nach Einstellung eines Startzustands (I) , in dem beide Magnetisierungsrichtungen (Ml, M2) des magnetischen Elements (11) in negative x- und z- Richtungen weisen, die äußeren Magnetfelder entsprechend den jeweiligen Eingangsgrößen ausgerichtet werden, wobei als logische Ausgangsgröße, wenn beide äußeren Magnetfelder in positive x- und z-Richtungen ausgerichtet sind, eine logische Eins und in allen anderen Fällen eine logische Null gebildet wird.
L3. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem als Operatorfunktion F die OR-Funktion ausgeführt wird, indem nach Einstellung eines. Startzustands (II) , in dem beide Magnetisierungsrichtungen (Ml, M2) des magnetischen Elements (11) in positive x- und z- Richtungen weisen, die äußeren Magnetfelder entsprechend den jeweiligen Eingangsgrößen ausgerichtet werden, wobei als logische Ausgangsgröße, wenn beide äußeren Magnetfelder in negative x- und z-Richtungen ausgerichtet sind, eine logische Null und in allen anderen Fällen eine logische Eins gebildet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem als Operatorfunktion F die NAND- oder NOR-Funktion ausgeführt wird, indem die logische Ausgangsgröße negiert wird.
15. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem der Zustand des magnetischen Elements (11) nach der logischen Operation als Startzustand für eine folgende logische Operation verwendet wird.
16. Verfahren zum Betrieb einer magnetischen Logikschaltung (30) , die eine Vielzahl von Logikeinrichtungen (10) umfasst, mit denen gleichzeitig oder aufeinander folgend eine Vielzahl logischer Operationen gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 15 ausgeführt werden.
17. Verwendung einer Logikeinrichtung (10) nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 14 als logisches Bauelement zur Ausführung logischer oder arithmetischer Funktionen oder als Speicherelement zur Speicherung logischer Zustände.
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