WO2023127795A1 - 情報処理デバイス及び信号変換方法 - Google Patents

情報処理デバイス及び信号変換方法 Download PDF

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WO2023127795A1
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information processing
processing device
propagation layer
layer
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明 廣瀬
チェン・ジャシュアン
了昌 中根
剛平 田中
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国立大学法人 東京大学
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    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/82Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of the magnetic field applied to the device

Definitions

  • the present invention relates to an information processing device and a signal conversion method.
  • reservoir computing As one of the artificial neural networks, which is the main technology of artificial intelligence, an information processing framework called reservoir computing, which is suitable for learning time-series signals, is known.
  • Reservoir computing consists of a reservoir section that converts input time-series signals into high-dimensional spatio-temporal signals, and a readout section that gives output by weighting the spatio-temporal signals generated by the reservoir section. Since this is done by adjusting the weighting parameters, there is no need to train the reservoir, and the learning cost is low.
  • the present invention provides an information processing device and a signal conversion method with a high degree of freedom in the placement of electrodes.
  • an information processing device comprises a propagation layer, a first electrode and a second electrode.
  • a spin wave is excited in the propagation layer according to an electrical signal flowing through the first electrode, and the excited spin wave is propagated.
  • the first electrode is partially positioned within the propagation layer and has both ends exposed from the propagation layer.
  • the second electrode is partially positioned within the propagation layer and has both ends exposed from the propagation layer, and outputs a signal according to the spin wave propagating in the propagation layer.
  • the degree of freedom in determining the placement positions of the electrodes is increased.
  • FIG. 1 is a model diagram showing a configuration of an information processing device 10;
  • FIG. 2 is a diagram showing a cross section of the information processing device 10 on the XZ plane;
  • FIG. 1 is a model diagram showing a configuration of a conventional information processing device 110;
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an information processing device 10 in which conductive layers 4 are laminated;
  • FIG. It is a figure showing an example of arrangement of electrodes. It is a figure showing an example of arrangement of electrodes. It is a figure showing an example of arrangement of electrodes. It is a figure showing an example of arrangement of electrodes.
  • 1 is a diagram showing an electrode arrangement of model 1.
  • FIG. FIG. 2 is a diagram showing the electrode arrangement of model 2 of the conventional method corresponding to model 1;
  • FIG. 4 is a diagram showing the electrode arrangement of model 3;
  • FIG. 4 is a diagram showing the electrode arrangement of model 4 of the conventional method corresponding to model 3;
  • FIG. 4 is a diagram showing simulation
  • FIG. 1 is a model diagram showing the configuration of an information processing device 10 .
  • the information processing device 10 includes a first electrode 1 , a second electrode 2 and a propagation layer 3 .
  • a portion of the first electrode 1 is located within the propagation layer 3 and both ends thereof are exposed from the propagation layer 3 .
  • the first electrode 1 is arranged so as to penetrate the propagation layer 3 .
  • the second electrode 2 is partly positioned within the propagation layer 3 and has both ends exposed from the propagation layer 3 .
  • the second electrode is arranged to penetrate the propagation layer.
  • the propagation layer 3 propagates spin waves inside or on the surface, and is an insulating magnetic material such as magnetic garnet or ferrite.
  • a magnetic field H is generated by an electric signal I flowing through the first electrode 1
  • the propagation layer 3 excites a spin wave according to the magnetic field H, and propagates the excited spin wave.
  • This spin wave propagates on the surface of the propagation layer 3 as shown in FIG. 1, and propagates inside the propagation layer 3 as shown in FIG.
  • FIG. 2 is a diagram showing a cross section of the information processing device 10 on the XZ plane.
  • the second electrode 2 outputs a signal O corresponding to the spin wave propagated in the propagation layer 3 .
  • the ferrite that can be used for the propagation layer 3 may have a crystal structure of orthorhombic, hexa, spinel, or the like, and may contain cobalt such as cobaltite.
  • the propagation layer 3 can also use a nitride magnetic material, a sulfide magnetic material, etc. as an insulating magnetic material used for the propagation layer 3.
  • FIG. 1 A nitride magnetic material, a sulfide magnetic material, etc.
  • FIG. 3 is a model diagram showing the configuration of a conventional information processing device 110.
  • the information processing device 110 includes an input electrode 101 , an output electrode 102 and a propagation layer 103 . Both the input electrode 101 and the output electrode 102 are arranged on the upper surface of the propagation layer 103 .
  • the input electrode 101 and the output electrode 102 are arranged on the upper surface of the propagation layer 103. Therefore, it is necessary to connect the wiring on the signal circuit side and the wiring on the ground side to each electrode. Therefore, when arranging a plurality of electrodes (the input electrode 101 and the output electrode 102), the arrangement position is limited.
  • the first electrode 1 and the second electrode 2 are arranged so as to pass through the propagation layer 3 .
  • 2 electrodes 2 need only be connected to the wiring on the signal circuit side, and the restrictions on the arrangement positions of the first electrode 1 and the second electrode 2 are relaxed.
  • the information processing device 10 is configured so as to include a conductive layer 4 stacked on the propagation layer 3, the conductive layer 4 is electrically grounded, and one end of the first electrode 1 and the first electrode 1 are electrically grounded. By contacting one end of the electrode 2 of 2 with the conductive layer, the wiring on the ground side can be omitted.
  • FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the information processing device 10 when the conductive layers 4 are laminated.
  • FIG. 5 is a diagram showing an arrangement example of electrodes.
  • the top surface of the propagation layer 3 shown in the figure is a square with a side of 2.2 ⁇ m, and a plurality of electrodes (first electrode 1 and second electrode 2) indicated by dots in the figure can be arranged.
  • the first electrode 1 and the second electrode 2 have a linear shape, and the propagation layer 3 has a plate-like shape, preferably a thin film.
  • the first electrode 1 and the second electrode 2 are perpendicular to the plane having the largest area among the six planes of the propagation layer 3, that is, the upper and lower surfaces.
  • the surface of the propagation layer 3 may be curved, and the first electrode 1 and the second electrode 2 may not be straight.
  • the first electrode 1 and the second electrode 2 may be perpendicular to the virtual plane. good.
  • the first electrode 1 and the second electrode 2 can also be arranged at an angle that is not perpendicular to the plane of the propagation layer 3 .
  • FIG. 6 and 7 are diagrams showing examples of electrode arrangement.
  • the first electrode 1 and the second electrode are arranged in a state not perpendicular to the propagation layer 3.
  • a portion of the first electrode 1 is U-shaped.
  • the same signal flows through both, but the spin wave is generated by the linear first electrode. It propagates differently than if only electrode 1 were placed.
  • FIG. 8 is a diagram showing the electrode arrangement of model 1.
  • FIG. 9 is a diagram showing the electrode arrangement of model 2 of the conventional method corresponding to model 1.
  • FIG. 10 is a diagram showing the electrode arrangement of model 3.
  • FIG. 11 is a diagram showing the electrode arrangement of model 4 of the conventional method corresponding to model 3.
  • Each of the propagation layer 3 and the propagation layer 103 shown in FIGS. 8 to 11 has a square top surface with a side of 1 ⁇ m.
  • FIG. 12 is a diagram showing simulation results of power efficiency. As shown in the figure, it was confirmed that the power efficiency is better than that of the conventional model when the signal frequency is around 1 GHz. Also, FIG. 13 is a diagram showing a simulation result of the SN ratio. As shown in the figure, it was confirmed that the SN ratio was better than that of the conventional model when the signal frequency was around 1 GHz.
  • the information processing device 10 has a good SN ratio at room temperature, and also has a good power efficiency relative to the results of the SN ratio.
  • an electric signal is input to the first electrode 1 penetrating the propagation layer 3 .
  • a spin wave is excited in the propagation layer 3 according to this electrical signal and propagates through the propagation layer 3 .
  • An electrical signal corresponding to this spin wave is output from the second electrode 2 penetrating the propagation layer 3 .
  • the present invention may be provided in each aspect described below.
  • An information processing device comprising a propagation layer, a first electrode, and a second electrode, wherein spin waves are excited in the propagation layer in response to an electrical signal flowing through the first electrode. , the excited spin wave is propagated, the first electrode is partly located in the propagation layer and both ends are exposed from the propagation layer, and the second electrode is one An information processing device having a portion located within the propagation layer and having both end portions exposed from the propagation layer and outputting a signal corresponding to a spin wave propagating in the propagation layer.
  • the first electrode penetrates the propagation layer.
  • the first electrode and the second electrode are orthogonal to a plane having the largest area among the planes of the propagation layer.
  • the information processing device includes a conductive layer, the conductive layer is stacked on the propagation layer, is electrically grounded, and is connected to one end of the first electrode and the first electrode. 2, one end of the electrode is in contact with the conductive layer.
  • the propagation layer is an insulating magnetic material, and the insulating magnetic material is magnetic garnet or ferrite. processing device.
  • a signal conversion method in which an electric signal is input to a first electrode penetrating a propagation layer, excited in the propagation layer according to the electric signal, and converted into a spin wave propagating in the propagation layer.
  • a signal conversion method for outputting a corresponding electrical signal from a second electrode passing through the propagation layer is not limited to this.
  • first electrode 2 second electrode 3: propagation layer 4: conductive layer 10: information processing device 101: input electrode 102: output electrode 103: propagation layer 110: information processing device H: magnetic field I: electric signal O :signal

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Abstract

【課題】電極の配置位置の自由度が高い情報処理デバイス及び信号変換方法を提供すること。 【解決手段】本発明の一態様によれば、情報処理デバイスが提供される。この情報処理デバイスは、伝搬層と、第1の電極と、第2の電極とを備える。伝搬層は、第1の電極を流れる電気信号に応じてスピン波が励起され、該励起されたスピン波を伝搬させる。第1の電極は、一部が伝搬層の層内に位置するとともに、両端部が伝搬層から露出す。第2の電極は、一部が伝搬層の層内に位置するとともに、両端部が伝搬層から露出し、伝搬層で伝搬するスピン波に応じた信号を出力する。

Description

情報処理デバイス及び信号変換方法
 本発明は、情報処理デバイス及び信号変換方法に関する。
 人工知能の主要技術である人工ニューラルネットワークの一つとして、時系列信号の学習に適したリザバーコンピューティングという情報処理の枠組みが知られている。リザバーコンピューティングは、入力時系列信号を高次元の時空間信号に変換するリザバー部と、リザバー部で生成された時空間信号の重み付けにより出力を与えるリードアウト部から成り、学習はリードアウト部の重みパラメータを調整することで行われるので、リザバー部は訓練する必要がなく、学習コストが少ないという特徴がある。
 また、リザバーコンピューティングに適した情報処理デバイスとして、スピン波を用いるものが提案されている(例えば、特許文献1を参照)。
特許第7109046号公報
 ところで、スピン波を用いた情報処理デバイスでは、スピン波を伝搬させる伝搬層等の表面に電極を配置することが一般的であるが、この場合、電極に接続される配線等の関係から、電極の配置位置を自由に決定することが困難であった。
 本発明では上記事情を鑑み、電極の配置位置の自由度が高い情報処理デバイス及び信号変換方法を提供することとした。
 本発明の一態様によれば、情報処理デバイスが提供される。この情報処理デバイスは、伝搬層と、第1の電極と、第2の電極とを備える。伝搬層は、第1の電極を流れる電気信号に応じてスピン波が励起され、該励起されたスピン波を伝搬させる。第1の電極は、一部が伝搬層の層内に位置するとともに、両端部が伝搬層から露出す。第2の電極は、一部が伝搬層の層内に位置するとともに、両端部が伝搬層から露出し、伝搬層で伝搬するスピン波に応じた信号を出力する。
 本発明の一態様によれば、電極の配置位置を決定する際の自由度が高くなる。
情報処理デバイス10の構成を示すモデル図である。 情報処理デバイス10のXZ平面での断面を示した図である。 従来の情報処理デバイス110の構成を示すモデル図である。 導電層4を積層した場合の情報処理デバイス10の構成を示した図である。 電極の配置例を示した図である。 電極の配置例を示した図である。 電極の配置例を示した図である。 モデル1の電極配置を示した図である。 モデル1に対応する従来方法のモデル2の電極配置を示した図である。 モデル3の電極配置を示した図である。 モデル3に対応する従来方法のモデル4の電極配置を示した図である。 電力効率のシミュレーション結果を示した図である。 SN比のシミュレーション結果を示した図である。
 以下、図面を用いて本開示の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。
1.情報処理デバイスの構成
 図1は、情報処理デバイス10の構成を示すモデル図である。同図に示すように、情報処理デバイス10は、第1の電極1と、第2の電極2と、伝搬層3とを備える。第1の電極1は、その一部が伝搬層3の層内に位置するとともに、その両端部が伝搬層3から露出する。具体的には、第1の電極1は、伝搬層3を貫通するように配置される。同様に、第2の電極2は、その一部が伝搬層3の層内に位置するとともに、その両端部が伝搬層3から露出する。具体的には、第2の電極は、伝搬層を貫通するように配置される。
 伝搬層3は、その内部や表面においてスピン波を伝搬させるもので、例えば、磁性ガーネット又はフェライト等の絶縁性磁性体である。この伝搬層3は、第1の電極1を流れる電気信号Iにより磁界Hが生成されると、その磁界Hに応じてスピン波が励起され、励起されたスピン波を伝搬させる。このスピン波は、図1に示すように、伝搬層3の表面で伝搬するとともに、図2に示すように、伝搬層3の内部を伝搬する。図2は、情報処理デバイス10のXZ平面での断面を示した図である。また、第2の電極2は、伝搬層3で伝搬されるスピン波に応じた信号Oを出力する。なお、伝搬層3に用いることのできるフェライトは、結晶構造として、オルソロンビック、ヘキサ、スピネル等のいずれであってもよく、コバルタイト等のコバルトを含むものであってもよい。また、伝搬層3は、伝搬層3に用いる絶縁性磁性体として、窒化物磁性体、硫化物磁性体等を用いることもできる。
 ここで、情報処理デバイス10と、従来の情報処理デバイス110とを比較する。図3は、従来の情報処理デバイス110の構成を示すモデル図である。同図に示すように、情報処理デバイス110は、入力電極101と、出力電極102と、伝搬層103とを備える。入力電極101と、出力電極102は、いずれも、伝搬層103の上面に配置される。
 また、情報処理デバイス110では、入力電極101と出力電極102とが、伝搬層103の上面に配置されているため、それぞれの電極に、信号回路側の配線及び接地側の配線を接続する必要があるため、複数の電極(入力電極101と出力電極102)を配置する場合には、その配置位置に制限が生じることとなる。
 一方、情報処理デバイス10は、第1の電極1と第2の電極2が、伝搬層3を貫通するように配置されるため、例えば、伝搬層3の上面は、第1の電極1と第2の電極2の両者ともに、信号回路側の配線のみを接続すればよく、第1の電極1と第2の電極2の配置位置の制限が緩和される。また、図4に示すように、伝搬層3と積層される導電層4を備えるように情報処理デバイス10を構成し、導電層4を電気的に接地させ、第1の電極1の一端及び第2の電極2の一端を導電層と接するようにすることで、接地側の配線を省略することができる。図4は、導電層4を積層した場合の情報処理デバイス10の構成を示した図である。
 このように、第1の電極1と第2の電極2が、伝搬層3を貫通するように配置することで、各電極の配置位置の自由度が向上し、図5に示すような電極の配置が可能となる。第1の電極1と第2の電極2は、それぞれ、複数を配置することができる。もちろん、第1の電極1と第2の電極2の一方又は両方を、1つのみ配置するようにすることもできる。図5は、電極の配置例を示した図である。同図に示す伝搬層3は、上面が、一辺2.2μmの正方形であり、図中点で示す複数の電極(第1の電極1と第2の電極2)が配置可能となる。
2.電極の配置例
 次に、第1の電極1及び第2の電極2の配置例について説明する。図1に示した例では、第1の電極1及び第2の電極2は、直線状の形状であり、伝搬層3は、平板状の形状であり、好ましくは、薄膜状である。そして、第1の電極1及び第2の電極2は、伝搬層3が有する6つの平面のうち面積が最大の平面、つまり、上面及び下面と直交する。ただし、図1に示したものは一例であり、伝搬層3は、面が湾曲していてもよく、また、第1の電極1及び第2の電極2も、直線状でないものでもよい。なお、伝搬層3の面が湾曲していたり、起伏のある面である等、平面でない場合には、第1の電極1及び第2の電極2を仮想的な平面に直交するようにしてもよい。もちろん、第1の電極1及び第2の電極2を伝搬層3の平面と直交しない角度で配置することもできる。
 図6及び図7は、電極の配置例を示した図である。図6に示した例は、第1の電極1及び第2の電極が伝搬層3と直交しない状態で配置されたものである。また、図7に示した例は、第1の電極1の一部が、U字状の形状をしているものである。この場合、U字状の第1の電極1の一端を、直線状の第1の電極1の一端と接続することで、両者に同じ信号が流れるものの、スピン波は、直線状の第1の電極1のみが配置された場合と、異なる態様で伝搬される。
3.検証結果
 次に、シミュレーションによる検証結果について説明する。図8は、モデル1の電極配置を示した図である。図9は、モデル1に対応する従来方法のモデル2の電極配置を示した図である。また、図10は、モデル3の電極配置を示した図である。図11は、モデル3に対応する従来方法のモデル4の電極配置を示した図である。なお、図8乃至図11に示した伝搬層3又は伝搬層103は、いずれも、一辺が1μmの正方形の上面を有するものである。
 図12は、電力効率のシミュレーション結果を示した図である。同図に示されるように、電力効率については、信号周波数が1GHz前後の場合に、従来モデルと比較して良好であることが認められた。また、図13は、SN比のシミュレーション結果を示した図である。同図に示されるように、SN比については、信号周波数が1GHz前後の場合に、従来モデルと比較して良好であることが認められた。
 以上の結果から、情報処理デバイス10は、常温におけるSN比が良好であり、また、電力効率についても、SN比の結果に対して良好であると考える。
9.その他
 以上説明した信号変換方法は、伝搬層3を貫通する第1の電極1に電気信号を入力する。この電気信号に応じて伝搬層3内でスピン波が励起され、伝搬層3内を伝搬する。このスピン波に応じた電気信号を、伝搬層3を貫通する第2の電極2から出力するものである。
 本発明は、次に記載の各態様で提供されてもよい。
(1)情報処理デバイスであって、伝搬層と、第1の電極と、第2の電極とを備え、前記伝搬層は、前記第1の電極を流れる電気信号に応じてスピン波が励起され、該励起されたスピン波を伝搬させ、前記第1の電極は、一部が前記伝搬層の層内に位置するとともに、両端部が前記伝搬層から露出し、前記第2の電極は、一部が前記伝搬層の層内に位置するとともに、両端部が前記伝搬層から露出し、前記伝搬層で伝搬するスピン波に応じた信号を出力する情報処理デバイス。
(2)上記(1)に記載の情報処理デバイスにおいて、前記第1の電極は、前記伝搬層を貫通する情報処理デバイス。
(3)上記(1)又は(2)に記載の情報処理デバイスにおいて、前記第2の電極は、前記伝搬層を貫通する情報処理デバイス。
(4)上記(1)乃至(3)のいずれか1つに記載の情報処理デバイスにおいて、前記第1の電極及び前記第2の電極は、直線状の形状である情報処理デバイス。
(5)上記(4)に記載の情報処理デバイスにおいて、前記伝搬層は、平板状の形状である情報処理デバイス。
(6)上記(5)に記載の情報処理デバイスにおいて、前記第1の電極及び前記第2の電極は、前記伝搬層が有する平面のうち面積が最大の平面と直交する情報処理デバイス。
(7)上記(6)に記載の情報処理デバイスにおいて、導電層を備え、前記導電層は、前記伝搬層と積層されるとともに、電気的に接地され、前記第1の電極の一端及び前記第2の電極の一端は、前記導電層と接する情報処理デバイス。
(8)上記(1)乃至(7)のいずれか1つに記載の情報処理デバイスにおいて、前記伝搬層は、薄膜状である情報処理デバイス。
(9)上記(1)乃至(8)のいずれか1つに記載の情報処理デバイスにおいて、前記伝搬層は、絶縁性磁性体であり、前記絶縁性磁性体は、磁性ガーネット又はフェライトである情報処理デバイス。
(10)信号変換方法であって、伝搬層を貫通する第1の電極に電気信号を入力し、前記電気信号に応じて前記伝搬層内で励起され、該伝搬層内を伝搬するスピン波に応じた電気信号を、前記伝搬層を貫通する第2の電極から出力する信号変換方法。
 もちろん、この限りではない。
 最後に、本発明に係る種々の実施形態を説明したが、これらは、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。当該新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。当該実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
1   :第1の電極
2   :第2の電極
3   :伝搬層
4   :導電層
10  :情報処理デバイス
101 :入力電極
102 :出力電極
103 :伝搬層
110 :情報処理デバイス
H   :磁界
I   :電気信号
O   :信号

Claims (10)

  1.  情報処理デバイスであって、
     伝搬層と、第1の電極と、第2の電極とを備え、
     前記伝搬層は、前記第1の電極を流れる電気信号に応じてスピン波が励起され、該励起されたスピン波を伝搬させ、
     前記第1の電極は、一部が前記伝搬層の層内に位置するとともに、両端部が前記伝搬層から露出し、
     前記第2の電極は、一部が前記伝搬層の層内に位置するとともに、両端部が前記伝搬層から露出し、前記伝搬層で伝搬するスピン波に応じた信号を出力する
     情報処理デバイス。
  2.  請求項1に記載の情報処理デバイスにおいて、
     前記第1の電極は、前記伝搬層を貫通する
     情報処理デバイス。
  3.  請求項1又は請求項2に記載の情報処理デバイスにおいて、
     前記第2の電極は、前記伝搬層を貫通する
     情報処理デバイス。
  4.  請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の情報処理デバイスにおいて、
     前記第1の電極及び前記第2の電極は、直線状の形状である
     情報処理デバイス。
  5.  請求項4に記載の情報処理デバイスにおいて、
     前記伝搬層は、平板状の形状である
     情報処理デバイス。
  6.  請求項5に記載の情報処理デバイスにおいて、
     前記第1の電極及び前記第2の電極は、前記伝搬層が有する平面のうち面積が最大の平面と直交する
     情報処理デバイス。
  7.  請求項6に記載の情報処理デバイスにおいて、
     導電層を備え、
     前記導電層は、前記伝搬層と積層されるとともに、電気的に接地され、
     前記第1の電極の一端及び前記第2の電極の一端は、前記導電層と接する
     情報処理デバイス。
  8.  請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の情報処理デバイスにおいて、
     前記伝搬層は、薄膜状である
     情報処理デバイス。
  9.  請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の情報処理デバイスにおいて、
     前記伝搬層は、絶縁性磁性体であり、
      前記絶縁性磁性体は、磁性ガーネット又はフェライトである
     情報処理デバイス。
  10.  信号変換方法であって、
     伝搬層を貫通する第1の電極に電気信号を入力し、
     前記電気信号に応じて前記伝搬層内で励起され、該伝搬層内を伝搬するスピン波に応じた電気信号を、前記伝搬層を貫通する第2の電極から出力する
     信号変換方法。
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JP2012064675A (ja) * 2010-09-14 2012-03-29 Toshiba Corp スピン波装置
WO2013014892A1 (ja) * 2011-07-22 2013-01-31 パナソニック株式会社 スピンデバイス、その動作方法およびその製造方法
JP2019134100A (ja) * 2018-01-31 2019-08-08 国立大学法人 東京大学 情報処理デバイス

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