WO2024005273A1 - 전류를 이용한 스커미온 백 형성 방법 및 장치 - Google Patents

전류를 이용한 스커미온 백 형성 방법 및 장치 Download PDF

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WO2024005273A1
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magnetic layer
bag
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generating
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이기석
한희성
정대한
김강휘
정수영
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UNIST Academy Industry Research Corp
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01—Manufacture or treatment
    • 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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    • H10N50/80—Constructional details

Definitions

  • the present invention relates to a method and device for forming a skyrmion bag using electric current, and more specifically, to a technology for effectively generating a skyrmion bag by applying electric current to a ferromagnetic material.
  • One example is research on skyrmion-based magnetic memory devices.
  • a skyrmion is a spin structure in the form of particles in which spins are arranged in a vortex-like spiral, and logic operations are performed by corresponding to digital codes in which the high level of the pulse voltage is set to 1 and the low level to 0 in the memory device. It can be designed to do so. Furthermore, a multi-bit operation circuit is implemented using a skyrmion back as a spin structure in which skyrmions are overlapped in various forms.
  • skyrmions are generated only in some limited situations where asymmetric exchange or Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) interaction is strong, and skyrmion bags can also be generated in limited situations.
  • DMI Dzyaloshinskii-Moriya interaction
  • the embodiments of this specification are proposed to solve the above-mentioned problems and propose a method and device for forming a skyrmion bag using current and structure.
  • a method of generating a skyrmion bag to achieve the above-described problem includes forming magnetization in a first direction in a first magnetic layer; forming magnetization in a second direction in the second magnetic layer; Applying a current to the first magnetic layer to cause electrons to move in the first direction, thereby generating a first skyrmion; and applying a current to the first magnetic layer to cause electrons to move in the second direction, thereby generating a second skyrmion inside the first skyrmion.
  • a method of generating a skyrmion bag to achieve another problem described above includes applying a magnetic field in the second direction to the first magnetic layer; Confirming the size of the first skyrmion; If the size of the first skyrmion is greater than or equal to a threshold, the method further includes blocking the magnetic field.
  • a method of generating a skyrmion bag to achieve another problem described above includes applying a current to the first magnetic layer to cause electrons to move in the second direction, thereby forming the third skyrmion inside the first skyrmion. It further includes a generating step.
  • a method of generating a skyrmion bag to achieve another problem described above further includes the step of applying a pulse current to generate a plurality of skyrmions inside the first skyrmion.
  • a method of generating a skyrmion bag to achieve another task described above further includes the step of moving the second skyrmion generated inside the first skyrmion.
  • the step of moving the second skyrmion generated inside the first skyrmion to achieve another task described above includes applying a current to the second skyrmion to move electrons in the first direction. do.
  • the step of moving the second skyrmion generated inside the first skyrmion to achieve another task described above includes applying a horizontal magnetic field to the first magnetic layer.
  • a skyrmion bag generating device for achieving the above-described problem includes a current applicator that applies a current; A magnetic field application unit that applies a magnetic field; Heavy metal layer; A first magnetic layer in which magnetization in a first direction is formed, a first skyrmion is generated based on a current and a magnetic field, and a second skyrmion is generated inside the first skyrmion based on the current; and a second magnetic layer in which magnetization in a second direction is formed.
  • a skyrmion bag generating device for achieving another problem described above includes forming magnetization in the first direction in the first magnetic layer, forming magnetization in the second direction in the second magnetic layer, and forming magnetization in the second direction in the first magnetic layer.
  • a current is applied to cause electrons to move in the first direction to generate the first skyrmion, and a current is applied to the first magnetic layer to cause electrons to move in the second direction to generate the first skyrmion.
  • the control unit for achieving another task described above applies a magnetic field to the first magnetic layer in the second direction, checks the size of the first skyrmion, and determines that the size of the first skyrmion is a threshold value. If it is above, the magnetic field is blocked.
  • the control unit for achieving another task described above applies a current to the first magnetic layer to cause electrons to move in the second direction, thereby generating the third skyrmion inside the first skyrmion.
  • the control unit to achieve another task described above moves the second skyrmion generated inside the first skyrmion.
  • the heavy metal layer to achieve another problem described above is formed between the first magnetic layer and the second magnetic layer.
  • Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) effect occurs by the heavy metal layer, the first magnetic layer, and the second magnetic layer.
  • a skyrmion bag can be created using a relatively simple method.
  • the generation of multiple skyrmions can be controlled.
  • Figure 1 is a diagram schematically showing the shape of a skyrmion bag.
  • Figure 2 is a diagram schematically showing a structure for generating a skyrmion bag according to an embodiment of the present invention.
  • Figures 3a to 3c are diagrams showing the principle of skyrmion bag generation according to electron flow according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a diagram showing a graph regarding pulse current applied by a current applicator according to an embodiment of the present invention.
  • Figures 5a to 5f are diagrams showing the process of generating a skyrmion according to a pulse current applied according to an embodiment of the present invention.
  • Figures 6a to 6f are diagrams showing a process in which skyrmions are generated in the first magnetic layer according to a pulse current applied according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a flow chart showing the process of generating skyrmions by the skyrmion bag generating device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 8 is a flowchart showing the process of generating a skyrmion bag by the skyrmion bag generating device according to an embodiment of the present invention.
  • Figures 9A to 9E are diagrams showing an embodiment of a method for moving the second skyrmion.
  • Figure 10 is a diagram showing the block configuration of a skyrmion bag generating device according to an embodiment of the present invention.
  • first and second are used not in a limiting sense but for the purpose of distinguishing one component from another component.
  • Skyrmion according to the present invention is a spin structure in the form of particles in which spins are arranged in a vortex-shaped spiral, and may mean a magnetic skyrmion.
  • 1 is a diagram schematically showing the shape of a skyrmion bag.
  • Skyrmion bag is a general term for spin structures in which skyrmions are overlapped in various forms, and can have different dynamic movements depending on the number and shape of overlapped skyrmions.
  • a stable highly multi-skyrmion configuration structure in which an arbitrary number of skyrmions are included within a larger skyrmion can be defined as a skyrmion bag.
  • skyrmion bags can be named by a combination of S and the number inside the parentheses.
  • S refers to the outer skyrmion
  • the number inside the parentheses may refer to the number of skyrmions located inside the skyrmion.
  • a single-structure skyrmion can be designed to perform logical operations in a memory device by corresponding to a digital code that sets the high level of the pulse voltage to 1 and the low level to 0, the skyrmion back is a multi-bit Logical operations can be performed with elements.
  • Figure 2 is a diagram schematically showing a structure for generating a skyrmion bag according to an embodiment of the present invention.
  • Skyrmions are generated only in some limited situations where the Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) effect is strong, and an appropriate structure is required to generate a skyrmion bag, which is a multiple skyrmion.
  • DMI Dzyaloshinskii-Moriya interaction
  • the structure for generating a skyrmion bag may be composed of a first magnetic layer 21, a second magnetic layer 23, a first non-magnetic layer 25, and a second non-magnetic layer 27, and the structure and the current applying unit 31 ) can create skyrmions.
  • the first magnetic layer 21 and the second magnetic layer 23 are ferromagnetic materials such as sputtering, molecular beam epitaxy (MBE), atomic layer deposition (ALD), pulse laser deposition (PLD), and electron beam evaporator (E-beam). Through processes such as evaporator, it can be formed as a single-layer structure for interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) or as a multi-layer structure.
  • the first magnetic layer 21 and the second magnetic layer 23 have a single-layer structure, and the thickness may range from several ⁇ to several nm, for example, and the line width may range from several tens to several nanometers, for example. It may range from nm to several ⁇ m.
  • This first magnetic layer 21 is thinner than the second magnetic layer 23 and can function as a free layer whose magnetic structure can be easily changed by current.
  • the second magnetic layer 23 is a ferromagnetic or antiferromagnetic material, and has a thicker thickness than the first magnetic layer 21, so that it can serve as a fixed layer in which torque due to current does not significantly affect the magnetic structure. The magnetic structure effect of torque due to such current will be described later.
  • the first magnetic layer 21 is magnetized in a first direction, a first skyrmion is generated based on the current and a magnetic field, and a second skyrmion is generated inside the first skyrmion based on the current. You can.
  • the second magnetic layer 23 may be magnetized in a second direction. For example, if the magnetization in the first direction is UP, the magnetization in the second direction may be Down.
  • At least one of the first non-magnetic layer 25 and the second non-magnetic layer 27 may be made of a heavy metal material.
  • the heavy metal layer can generate DMI at the interface with the free layer to maintain skyrmions.
  • the other one may be made of an oxide or a heavy metal that generates DMI in a different direction from the above heavy metal.
  • the heavy metal layer for example, any one or a mixture of two or more of platinum, tantalum, iridium, tantalum, hafnium, tungsten, and palladium can be used, and a single layer can be formed through processes such as sputtering, MBE, ALD, and PLD electron beam evaporator. It may be formed as a structured or multi-layered structure.
  • the thickness of the heavy metal layer may range from several nanometers to several tens of nanometers, and its line width may range from several tens of nanometers to several micrometers, for example.
  • a second non-magnetic layer 27 may be deposited between the first magnetic layer 21 and the second magnetic layer 23, distinguishing the free layer from the fixed layer, and the non-magnetic layer on the free layer protecting the very thin free layer from oxidation. It can perform a protective function.
  • the structure for creating a skyrmion bag is shown as having four layers for convenience of explanation. However, it changes depending on the deposition order of the magnetic layer and the non-magnetic layer, and even if deposited in the same order, the direction varies depending on the type of non-magnetic layer used. It may vary.
  • the first magnetic layer 21 is magnetized in the first direction
  • the second magnetic layer 23 is magnetized in the second direction
  • the skyrmion bag is formed in the first magnetic layer 21. This may be a structure that can be created.
  • Figures 3a to 3c are diagrams showing the principle of skyrmion bag generation according to electron flow according to an embodiment of the present invention.
  • the structure for generating the skyrmion bag in Figure 3 is shown as a three-layer structure for convenience of explanation.
  • Figure 3a shows a case where electrons move from the first magnetic layer 21 and the second magnetic layer 23 to the electrode of the current applicator 31
  • Figure 3b shows the case where electrons move from the electrode of the current applicator 31 to the first magnetic layer 23. This shows a case where electrons move to the magnetic layer 21 and the second magnetic layer 23.
  • the magnetic layer can be divided into a free layer and a fixed layer.
  • the first magnetic layer 21 may be composed of a free layer
  • the second magnetic layer 23 may be composed of a fixed layer.
  • the first magnetic layer 21 has weak magnetic anisotropy, so its magnetic structure can easily change.
  • a skyrmion bag may be created or destroyed.
  • the first magnetic layer 21 is a free layer and its magnetic structure can be easily changed. When electrons flow in the free layer, the free layer and electrons can exchange magnetic moments with each other.
  • the second magnetic layer 23 is a fixed layer and has strong magnetic anisotropy, so its magnetic structure may not easily change. Since the magnetic structure of the second magnetic layer 23 does not easily change, electrons with a magnetic moment in a direction similar to that of the pinned layer can easily pass through the pinned layer, but otherwise they may encounter resistance and be reflected back.
  • the electrons when electrons move from the first magnetic layer 21 and the second magnetic layer 23 to the electrode of the current applicator 31, the electrons pass through the fixed layer and have a magnetic moment in the same direction as the magnetization direction of the fixed layer. are aligned and can generate spin transfer torque as they pass through the free layer.
  • the magnetic structure of the free layer can receive a spin transfer torque in the same direction as the fixed layer.
  • This spin transfer torque may mean a torque in which when an electron passes through a magnetic material, the spin of the electron is transferred to the magnetic material and the magnetic moment of the magnetic material rotates in the same direction as the spin of the electron.
  • the first magnetic layer 21 may receive a spin transfer torque in the same magnetization direction as the second magnetic layer 23 and have the magnetization direction of the second magnetic layer 23.
  • the first magnetic layer 21 may receive a spin transfer torque in a magnetization direction opposite to that of the second magnetic layer 23, so that the first magnetic layer 21 may have a magnetization direction opposite to that of the second magnetic layer 23.
  • Figure 3c is a diagram showing the transformation of the magnetic structure of such a magnetic layer.
  • the current applying unit Deformation of the magnetic structure in the second direction, such as the second magnetic layer 23, may occur around the electrode of 31.
  • the heavy metal layer can maintain skyrmions by generating DMI at the interface with the free layer
  • skyrmions with magnetization in the second direction can be generated at the interface of the first magnetic layer 21.
  • the magnetic structure on the interface of the free layer can be modified by changing the direction of electron movement, so multiple skyrmions can be generated.
  • Figure 4 is a diagram showing a graph regarding pulse current applied by a current applicator according to an embodiment of the present invention.
  • the current applicator 31 may generate a skyrmion back or multiple skyrmions by applying a pulse current to the structure. If it is assumed that the current applied by the current applicator 31 is a pulse current as shown in FIG. 4, the first time point 401, the second time point 405, and the third time point depending on the direction and size of the current applied to the structure. It can be divided into (409), the fourth viewpoint (413), the first section (403), the second section (407), and the third section (411).
  • a current is applied by the current applicator 31 to the structure in which the first magnetic layer 21 is magnetized in the first direction and the second magnetic layer 23 is magnetized in the second direction. It can mean the point in time.
  • the first section 403 may be a section in which electrons move from the structure to the electrode of the current applicator 31, that is, a section in which electrons are applied in the first direction.
  • the second point in time 405 may be a point in time when a magnetic field in the second direction is being applied to the structure by the magnetic field applicator or a point in time when electrons begin to be applied in the second direction.
  • the second section 407 may be a section in which electrons move from the electrode of the current applicator 31 to the structure by the current applicator 31, that is, a section in which electrons are applied in the second direction.
  • the third point in time 409 may be a point in time when electrons begin to be applied in the first direction.
  • the third section 411 may be a section in which electrons move from the structure to the electrode of the current applicator 31 by the current applicator 31, that is, a section in which electrons are applied in the first direction.
  • the maximum current in the third section may be smaller than the maximum current in the first section.
  • the fourth time point 413 may mean the time point at which the pulse current ends or the time point at which the cycle ends.
  • Figures 5a to 5f are diagrams showing the process of generating a skyrmion according to a pulse current applied according to an embodiment of the present invention
  • Figures 6a to 6f are diagrams showing the first magnetic layer according to a pulse current applied according to an embodiment of the present invention. This is a diagram showing the process by which a skyrmion is created.
  • the first viewpoint 401 in FIG. 4 corresponds to FIGS. 5A and 6A
  • the first section 403 corresponds to FIGS. 5B and 6B
  • the second viewpoint 405 corresponds to FIGS. 5C and 6C
  • the second section 407 corresponds to FIGS. 5D and 6D
  • the third viewpoint 409 corresponds to FIGS. 5E and 6E
  • the third section 411 corresponds to FIGS. 5F and 6F. there is.
  • FIGS. 5A and 6A in the case of FIG. 5A, the first magnetic layer 21 is magnetized in the first direction, and the second magnetic layer 23 is magnetized in the second direction.
  • This is a diagram showing the direction of magnetization and the direction of movement of electrons when a current is applied to the electrode 35.
  • FIG. 6A is a diagram schematically illustrating the point where the first magnetic layer 21 and the electrode 35 are in contact.
  • FIGS. 5B and 6B in the case of FIG. 5B, when electrons move from the structure to the electrode of the current application unit 31, the current is transferred by the electrode 35 of the current application unit 31.
  • This is a diagram showing the direction of magnetization and the direction of movement of electrons when is applied.
  • magnetic structure deformation may occur in the first magnetic layer 21.
  • FIG. 6B where magnetic structure deformation occurs, it is a diagram schematically illustrating the point where the first magnetic layer 21 and the electrode 35 contact and the first skyrmion 41 generated by the magnetic structure deformation.
  • a magnetic field 33 in the second direction is applied to the structure by a magnetic field application unit.
  • the magnetization deformation area of the first magnetic layer 21 where the magnetic structure deformation occurred may be expanded.
  • FIG. 6C where the magnetic field 33 is applied in the second direction the point where the first magnetic layer 21 and the electrode 35 contact and the expansion of the first skyrmion 41 by the magnetic field 33 are schematically shown. This is a schematic drawing.
  • FIGS. 5D and 6D In the case of FIG. 5D, electrons move from the electrode of the current applicator 31 to the structure by the current applicator 31, and the electrons can be applied in the second direction.
  • the first magnetic layer 21 may receive a spin transfer torque in a magnetization direction opposite to that of the second magnetic layer 23, resulting in magnetic structural deformation having a magnetization direction opposite to that of the second magnetic layer 23.
  • FIG. 6D it is schematically shown that the second skyrmion 43 is generated inside the first skyrmion 41 by the point where the first magnetic layer 21 and the electrode 35 contact and the magnetic field 33. It is a schematic drawing.
  • a skyrmion bag can be created by the first skyrmion 41 and the second skyrmion 43.
  • another type of skyrmion bag can be created by creating an additional skyrmion inside the first skyrmion 41.
  • a method of moving the second skyrmion 43 inside the first skyrmion 41 and generating a third skyrmion again through an electrode will be described later.
  • the maximum current may be smaller than the maximum current applied in 5b and 5b. That is, the magnetic structure of the first magnetic layer 21 is not deformed, and the second skyrmion 43 inside the first skyrmion 41 can move from the electrode 35 due to the repulsive force caused by magnetization.
  • a skyrmion bag having a third skyrmion and multiple skyrmions can be generated by applying current in a manner similar to the method of generating the second skyrmion.
  • the skyrmion bag generating device may form magnetization in the first direction in the first magnetic layer by the magnetic field applicator or the current applicator in step S701.
  • the skyrmion bag generating device may form magnetization in the second direction in the second magnetic layer by the magnetic field applicator or the current applicator in step S703.
  • the skyrmion bag generating device may generate a first skyrmion by applying a current to move electrons in the first direction in step S705. For example, when the current applicator 31 applies current in the second direction, electrons move in the first direction. That is, current can be applied so that electrons move from the first magnetic layer 21 and the second magnetic layer 23 to the electrode of the current applying unit 31.
  • step S705 the skyrmion bag generating device receives a spin transfer torque in the same direction as the magnetization direction of the second magnetic layer at the interface of the first magnetic layer 21 when the electron moves in the first direction, and the first magnetic layer 21 Magnetic structure deformation may occur to generate a first skyrmion having a second magnetization direction.
  • the skyrmion bag generating device may apply a magnetic field to the first magnetic layer 21 in the second direction in step S707. Specifically, a magnetic field may be applied in the second direction to expand the size of the first skyrmion having the second magnetization direction. The magnetization area of the first skyrmion in the second direction may be expanded by the magnetic field.
  • the skyrmion bag generating device can check the size of the first skyrmion in step S709. For example, if the size of the first skyrmion is greater than or equal to a threshold, the magnetic field applied by the magnetic field applicator may be blocked. In this way, a method of generating a first skyrmion and generating multiple skyrmions within the first skyrmion will be described later.
  • Figure 8 is a flowchart showing the process of generating a skyrmion bag by the skyrmion bag generating device according to an embodiment of the present invention.
  • the skyrmion bag generating device can generate at least one skyrmion inside the first skyrmion generated through a series of processes.
  • the skyrmion bag generating device may apply a current to the first magnetic layer to move electrons in the second direction in step S801, thereby generating a second skyrmion inside the first skyrmion.
  • electrons move from the electrode of the current applicator 31 to the structure by the current applicator 31, and the first magnetic layer 21 receives a spin transfer torque in a magnetization direction opposite to that of the second magnetic layer 23.
  • a magnetic structure deformation having an opposite magnetization direction of the second magnetic layer may occur.
  • the skyrmion bag generating device may move the second skyrmion generated inside the first skyrmion in step S803. This is to move the second skyrmion from the position of the electrode of the current application unit and generate the third skyrmion again.
  • the second skyrmion can be moved by applying a current to the second skyrmion so that electrons move in the first direction.
  • the maximum current in step S803 may be smaller than the maximum current in step S705.
  • the skyrmion bag generating device may apply a current to the first magnetic layer to move electrons in the second direction in step S805, thereby generating a third skyrmion inside the first skyrmion. This is the same as the process of creating the second skyrmion.
  • a skyrmion bag with a separate skyrmion inside the first skyrmion can be created in the structure using the skyrmion bag generating device in FIGS. 7 and 8.
  • the magnetization direction of the skyrmion bag may also be changed, which is obvious to those skilled in the art.
  • step S803 the method of first applying a current to the second skyrmion to move electrons in the first direction using an electrode was described above.
  • various methods of moving the second skyrmion generated inside the first skyrmion will be described later.
  • Figures 9A to 9E are diagrams showing an embodiment of a method for moving the second skyrmion.
  • FIG. 9A there may be a method of moving the entire skyrmion bag by applying a horizontal magnetic field 901 to the structure.
  • a different type of skyrmion bag can be created by moving the skyrmion bag and generating a third skyrmion when the electrode is separated from the second skyrmion and is located inside the first skyrmion. You can.
  • FIG. 9B there may be a method of moving the entire skyrmion bag by applying a horizontal current 903 to the structure.
  • a different type of skyrmion bag can be created by moving the skyrmion bag and generating a third skyrmion when the electrode is separated from the second skyrmion and is located inside the first skyrmion. You can.
  • FIG. 9C there may be a method of moving the second skyrmion by applying an alternating magnetic field 905 to the structure and generating a spin wave 907.
  • a different type of skyrmion bag can be created by separating the second skyrmion from the electrode and then generating a third skyrmion when located inside the first skyrmion.
  • the skyrmions can move in a direction where the potential energy is minimized due to the asymmetric potential.
  • the position of the electrode is biased to one side of the first magnetic layer, when a skyrmion is generated, it may move to the center of the first magnetic layer due to a repulsive force due to the waveguide boundary.
  • a different type of skyrmion bag can be created by separating the second skyrmion from the electrode and then generating a third skyrmion when located inside the first skyrmion.
  • Figure 10 is a diagram showing the block configuration of a skyrmion bag generating device according to an embodiment of the present invention.
  • the skyrmion bag generating device 1000 is shown as including a control unit 1010, a current applicator 1020, a magnetic field applicator 1030, and a structure 1040, but is not necessarily limited thereto.
  • the control unit 1010, the current applicator 1020, the magnetic field applicator 1030, and the structure 1040 may be physically independent structures.
  • the control unit 1010 may be configured to generally control the skyrmion bag generating device 1000.
  • the control unit 1010 may include a CPU, RAM, ROM, and a system bus.
  • the control unit 1010 may be implemented with a single CPU or multiple CPUs (or DSP, SoC).
  • the control unit 1010 may be implemented with a digital signal processor (DSP), a microprocessor, or a time controller (TCON) that processes digital signals.
  • DSP digital signal processor
  • TCON time controller
  • control unit 1010 forms magnetization in a first direction in the first magnetic layer, forms magnetization in the second direction in the second magnetic layer, and applies a current to the first magnetic layer to cause electrons to move in the first direction, It can be controlled to generate a first skyrmion, apply a current to the first magnetic layer to move electrons in the second direction, and generate a second skyrmion inside the first skyrmion.
  • the current applicator 1020 may apply current to the structure 1040 to create a skyrmion bag or control its movement.
  • the magnetic field applicator 1030 may apply a magnetic field to the structure 1040 to change the size of the skyrmion or control the movement of the skyrmion.
  • the structure 1040 may include a first magnetic layer, a second magnetic layer, and a heavy metal layer, and a skyrmion bag is formed at the interface of the first magnetic layer based on the control unit 1010, the current applicator 1020, and the magnetic field applicator 1030. can be created.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)

Abstract

본 발명은 전류를 이용한 스커미온 백(Skyrmion bag) 형성 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 강자성체에 전류를 인가하여 스커미온 백을 효과적으로 생성하는 기술에 관한 것이다. 본 명세서의 실시예에 따른 스커미온 백을 생성하는 방법은, 제1 자성층에 제1 방향의 자화를 형성하는 단계; 제2 자성층에 제2 방향의 자화를 형성하는 단계; 상기 제1 자성층에, 상기 제1 방향으로 전자가 이동하도록 전류를 인가하여, 제1 스커미온(Skyrmion)을 생성하는 단계; 상기 제1 자성층에, 상기 제2 방향으로 전자가 이동하도록 전류를 인가하여, 상기 제1 스커미온 내부에 제2 스커미온을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전류를 이용한 스커미온 백 형성 방법 및 장치
본 발명은 전류를 이용한 스커미온 백(Skyrmion bag) 형성 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 강자성체에 전류를 인가하여 스커미온 백을 효과적으로 생성하는 기술에 관한 것이다.
반도체 집적회로의 고집적화, 고성능화에 따라서 새로운 미세 가공 기술이 지속적으로 개발되고 있다. 하지만 종래 반도체 소자에서는 집적도가 높아짐에 따라 게이트 산화막이 더 이상 절연막의 기능을 하지 않게 되며, 집적도를 높이기 위해 배선의 폭을 줄이는 경우 배선의 합선으로 인해 배선의 단락이 발생하게 된다. 이와 같이 종래의 반도체 소자에서는 전류 밀도의 증가로 인한 구조적 제한이 있으며 집적도를 높이기 위한 한계가 있다.
더 나아가 소모 전력의 급격한 증대에 따른 열문제, 정보처리 속도의 정체, 제조장비 및 공정비용의 급격한 증가 같은 한계에도 봉착하게 됨으로써, 실리콘 기반의 기존 소자 개념을 탈피한 새로운 개념 및 접근 방법이 시도되고 있다.
일 예로서 스커미온 기반 자기 메모리 소자에 관한 연구를 들 수 있다.
스커미온은 스핀(Spin)이 소용돌이 모양의 나선형으로 배열된 입자 형태의 스핀 구조체이며, 메모리 소자 속에서 펄스 전압의 높은 레벨을 1, 낮은 레벨을 0로 설정한 디지털 부호에 대응시켜 논리 연산을 수행하도록 설계할 수 있다. 더 나아가 스커미온이 다양한 형태로 중첩되어있는 스핀 구조체로서 스커미온 백을 이용하여 멀티 비트 연산 회로를 구현하고 있다.
그러나 스커미온은 비대칭 교환 또는 Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) 작용이 강하게 나타나는 일부 제한적인 상황에서만 생성되며, 스커미온 백 또한 제한적인 상황에서 생성할 수 있다.
이에 스커미온 및 스커미온 백을 효과적으로 생성하고 제어하는 방법 및 장치가 문제된다.
본 명세서의 실시 예는 상술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로 전류 및 구조체를 이용한 스커미온 백 형성 방법 및 장치에 관하여 제안한다.
상술한 과제를 달성하기 위한 스커미온 백을 생성하는 방법은, 제1 자성층에 제1 방향의 자화를 형성하는 단계; 제2 자성층에 제2 방향의 자화를 형성하는 단계; 상기 제1 자성층에, 상기 제1 방향으로 전자가 이동하도록 전류를 인가하여, 제1 스커미온(Skyrmion)을 생성하는 단계; 상기 제1 자성층에, 상기 제2 방향으로 전자가 이동하도록 전류를 인가하여, 상기 제1 스커미온 내부에 제2 스커미온을 생성하는 단계를 포함한다.
상술한 또 다른 과제를 달성하기 위한 스커미온 백을 생성하는 방법은, 상기 제1 자성층에, 상기 제2 방향으로 자기장을 인가하는 단계; 상기 제1 스커미온의 크기를 확인하는 단계; 상기 제1 스커미온의 크기가 임계값 이상인 경우, 상기 자기장을 차단하는 단계를 더 포함한다.
상술한 또 다른 과제를 달성하기 위한 스커미온 백을 생성하는 방법은, 상기 제1 자성층에 상기 제2 방향으로 전자가 이동하도록 전류를 인가하여, 상기 제1 스커미온 내부에 상기 제3 스커미온을 생성하는 단계를 더 포함한다.
상술한 또 다른 과제를 달성하기 위한 스커미온 백을 생성하는 방법은, 펄스 전류를 인가하여, 상기 제1 스커미온 내부에 복수개의 스커미온을 생성하는 단계를 더 포함한다.
상술한 또 다른 과제를 달성하기 위한 스커미온 백을 생성하는 방법은, 상기 제1 스커미온 내부에 생성된 상기 제2 스커미온을 이동시키는 단계를 더 포함한다.
상술한 또 다른 과제를 달성하기 위한 상기 제1 스커미온 내부에 생성된 상기 제2 스커미온을 이동시키는 단계는, 상기 제2 스커미온에 제1 방향으로 전자가 이동하도록 전류를 인가하는 단계를 포함한다.
상술한 또 다른 과제를 달성하기 위한 상기 제1 스커미온 내부에 생성된 상기 제2 스커미온을 이동시키는 단계는, 상기 제1 자성층에 수평방향의 자기장을 인가하는 단계를 포함한다.
상술한 과제를 달성하기 위한 스커미온 백 생성 장치는, 전류를 인가하는 전류 인가부; 자기장을 인가하는 자기장 인가부; 헤비메탈층; 제1 방향의 자화가 형성되고, 전류 및 자기장에 기반하여 제1 스커미온(Skyrmion)이 생성되고, 전류에 기반하여 상기 제1 스커미온 내부에 제2 스커미온이 생성되는 제1 자성층; 및 제2 방향의 자화가 형성되는 제2 자성층;을 포함한다.
상술한 또 다른 과제를 달성하기 위한 스커미온 백 생성 장치는, 상기 제1 자성층에 상기 제1 방향의 자화를 형성하고, 상기 제2 자성층에 상기 제2 방향의 자화를 형성하며, 상기 제1 자성층에, 상기 제1 방향으로 전자가 이동하도록 전류를 인가하여, 상기 제1 스커미온을 생성하고, 상기 제1 자성층에, 상기 제2 방향으로 전자가 이동하도록 전류를 인가하여, 상기 제1 스커미온 내부에 제2 스커미온을 생성하도록 제어하는 제어부를 더 포함한다.
상술한 또 다른 과제를 달성하기 위한 상기 제어부는, 상기 제1 자성층에, 상기 제2 방향으로 자기장을 인가하고, 상기 제1 스커미온의 크기를 확인하며, 상기 제1 스커미온의 크기가 임계값 이상인 경우, 상기 자기장을 차단한다.
상술한 또 다른 과제를 달성하기 위한 상기 제어부는, 상기 제1 자성층에 상기 제2 방향으로 전자가 이동하도록 전류를 인가하여, 상기 제1 스커미온 내부에 상기 제3 스커미온을 생성한다.
상술한 또 다른 과제를 달성하기위한 상기 제어부는, 상기 제1 스커미온 내부에 생성된 상기 제2 스커미온을 이동시킨다.
상술한 또 다른 과제를 달성하기 위한 상기 헤비메탈층은 상기 제1 자성층 및 상기 제2 자성층 사이에 형성된다.
상술한 또 다른 과제를 달성하기 위한 스커미온 백 생성 장치는, 상기 헤비메탈층, 상기 제1 자성층 및 상기 제2 자성층에 의해 Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) 작용이 발생한다.
본 발명의 실시 예에 따르면 상대적으로 간단한 방법을 이용하여 스커미온 백을 생성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면 다중 스커미온 생성을 제어할 수 있다.
도 1은 스커미온 백의 형상을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 백 생성을 위한 구조체를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 전자 흐름에 따른 스커미온 백 생성 원리를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전류 인가부에 의해 인가되는 펄스 전류에 관한 그래프를 나타내는 도면이다.
도 5a 내지 5f는 본 발명의 실시예에 따라 인가되는 펄스 전류에 따라 스커미온이 생성되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 6a 내지 6f는 본 발명의 실시예에 따라 인가되는 펄스 전류에 따라 제1 자성층에서 스커미온이 생성되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 백 생성 장치가 스커미온을 생성하는 과정을 나타내는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 백 생성 장치가 스커미온 백을 생성하는 과정을 나타내는 순서도이다.
도 9a 내지 도 9e는 제2 스커미온을 이동시키는 방법에 관한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 백 생성 장치의 블록 구성을 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
하기에서 본 개시를 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명에 따른 스커미온(Skyrmion)이란 스핀(Spin)이 소용돌이 모양의 나선형으로 배열된 입자 형태의 스핀 구조체로서 마그네틱 스커미온을 의미할 수 있다.
도 1은 스커미온 백의 형상을 개략적으로 도시하는 도면이다.
스커미온 백(Skyrmion bag)이란 스커미온이 다양한 형태로 중첩되어있는 스핀 구조체를 총칭하는 용어로, 중첩된 스커미온의 수와 형태에 따라서 다른 동적 움직임을 가질 수 있다.
도 1을 참고하면, 더 큰 스커미온 내에 임의의 수의 스커미온이 포함되는 안정적인 고도 다중 스커미온 구성 구조를 스커미온 백으로 정의될 수 있다.
이러한 스커미온 백은 S와 괄호 내부 숫자의 조합으로 이름이 정해질 수 있다. 이때 S는 바깥쪽 스커미온을 의미하고 괄호 내부 숫자는 스커미온 내부에 위치하는 스커미온들의 숫자를 의미할 수 있다. 위와 같은 방법을 사용하면 모든 종류의 스커미온 백들을 구분할 수 있다.
따라서 단일 구조 스커미온이 메모리 소자 속에서 펄스 전압의 높은 레벨을 1, 낮은 레벨을 0로 설정한 디지털 부호에 대응시켜 논리 연산을 수행하도록 설계할 수 있는 것과 유사한 방식으로, 스커미온 백은 멀티비트 소자로 논리 연산을 수행 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 백 생성을 위한 구조체를 개략적으로 도시하는 도면이다.
스커미온은 Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) 작용이 강하게 나타나는 일부 제한적인 상황에서만 생성되며, 다중 스커미온인 스커미온 백을 생성하기 위해서는 적절한 구조체가 요구된다.
스커미온 백 생성을 위한 구조체는 제1 자성층(21), 제2 자성층(23), 제1 비자성층(25), 제2 비자성층(27)으로 구성될 수 있으며, 구조체와 전류 인가부(31)는 스커미온을 생성할 수 있다.
제1 자성층(21)은 및 제2 자성층(23)은 강자성체로서 예컨대 스퍼터링, MBE(molecular beam epitaxy), ALD(atomic layer deposition), PLD(pulse laser deposition), 전자 빔 이베퍼레이터(E-beam evaporator) 등과 같은 공정을 통해 단일층(mono_layer) 구조로서 계면(interfacial) Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI)를 위한 단일층로 이루어지거나 또는 다층 구조로 형성될 수 있다. 또한 계면 DMI를 이용하는 경우일 때, 제1 자성층(21) 및 제2 자성층(23)은 단일층 구조로서 그 두께가, 예컨대 수Å 내지 수㎚의 범위로 될 수 있고, 그 선폭이, 예컨대 수십㎚ 내지 수㎛의 범위로 될 수 있다.
이러한 제1 자성층(21)은 제2 자성층(23) 보다 앏고, 전류에 의해 자기 구조가 쉽게 바뀔 수 있는 자유층으로서 기능할 수 있다. 또한 제2 자성층(23)은 강자성체 또는 반강자성체로, 제1 자성층(21)보다 두꺼운 두께를 가져 전류에 의한 토크가 자기 구조에 영향을 크게 미치지 못하는 고정층 역할을 할 수 있다. 이와 같은 전류에 의한 토크의 자기 구조 영향에 관하여는 후술하도록 한다.
제1 자성층(21)은 제1 방향의 자화가 형성되고, 전류 및 자기장에 기반하여 제1 스커미온(Skyrmion)이 생성되고, 전류에 기반하여 제1 스커미온 내부에 제2 스커미온이 생성될 수 있다. 제2 자성층(23)은 제2 방향의 자화가 형성될 수 있다. 예컨데 제1 방향의 자화가 UP 이라면, 제2 방향의 자화는 Down 일 수 있다.
제1 비자성층(25) 및 제2 비자성층(27) 중 적어도 하나는 헤비메탈 소재로 이루어질 수 있다. 헤비메탈층은 자유층과의 계면에서 DMI를 발생시켜 스커미온이 유지될 수 있도록 할 수 있다.
제1 비자성층(25) 및 제2 비자성층(27) 중 적어도 하나는 헤비메탈 소재인 경우, 나머지 하나는 산화물 또는 상기의 헤비메탈과는 다른 방향으로 DMI을 발생시키는 헤비메탈을 사용할 수 있다.
헤비메탈층으로는 예컨대 플래티넘, 탄탈, 이리듐, 탄탈륨, 하프늄, 텅스텐, 팔라듐 중 어느 하나 혹은 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있으며, 예컨대 스퍼터링, MBE, ALD, PLD 전자 빔 이베퍼레이터 등과 같은 공정을 통해 단일층 구조 또는 다층 구조로 형성될 수 있다. 여기에서, 헤비메탈층의 두께는, 예컨대 수㎚ 내지 수십㎚의 범위가 될 수 있으며, 그 선폭은, 예컨대 수십㎚ 내지 수㎛의 범위가 될 수 있다.
제2 비자성층(27)은 제1 자성층(21) 및 제2 자성층(23) 사이에 증착될 수 있으며, 자유층과 고정층을 구별하고, 자유층 위의 비자성층은 매우 얇은 자유층을 산화로부터 보호하는 기능을 수행할 수 있다.
도 2는 스커미온 백 생성을 위한 구조체는 설명의 편의를 위해 4개의 층을 가지는 것으로 도시하였으나, 자성층과 비자성층의 증착 순서에 따라 바뀌며, 사용한 비자성층의 종류에 따라서 같은 순서로 증착 되더라도 방향이 달라질 수 있다.
이외에도 스커미온 백 생성을 위한 구조체는 제1 자성층(21)은 제1 방향의 자화가 형성되고, 제2 자성층(23)은 제2 방향의 자화가 형성되며, 제1 자성층(21)에 스커미온이 생성될 수 있는 구조체일 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 전자 흐름에 따른 스커미온 백 생성 원리를 나타내는 도면이다. 도 3의 스커미온 백 생성을 위한 구조체는 설명의 편의를 위해 3층 구조로 도시하였다.
도 3a는 제1 자성층(21) 및 제2 자성층(23)에서 전류 인가부(31)의 전극으로 전자가 이동하는 경우를 도시한 것이며, 도 3b는 전류 인가부(31)의 전극에서 제1 자성층(21) 및 제2 자성층(23)으로 전자가 이동하는 경우를 도시한 것이다.
전자의 스핀 전달 토크가 자기구조에 미치는 영향에 따라 자성층을 자유층과 고정층으로 구분할 수 있다. 전술한 바와 같이 제1 자성층(21)은 자유층, 제2 자성층(23)은 고정층으로 구성될 수 있다.
제1 자성층(21)은 자기이방성이 약해서 자기구조가 쉽게 변할 수 있다. 이러한 제1 자성층(21)은 스커미온 백이 생성되거나 소멸될 수 있다. 제1 자성층(21)은 자유층으로서 자기구조가 쉽게 변할 수 있다. 자유층에 전자가 흐르면 자유층과 전자는 서로 자기모멘트를 교환할 수 있다.
제2 자성층(23)은 고정층으로 자기이방성이 강해서 자기구조가 쉽게 변하지 않을 수 있다. 제2 자성층(23)의 자기구조가 쉽게 변하지 않기 때문에, 고정층과 유사한 방향의 자기모멘트를 가진 전자는 고정층을 쉽게 지나갈 수 있지만 그렇지 않으면 저항을 받고 뒤로 반사될 수 있다.
도 3a를 참고하면 제1 자성층(21) 및 제2 자성층(23)에서 전류 인가부(31)의 전극으로 전자가 이동하는 경우, 전자는 고정층을 지나면서 고정층의 자화 방향과 같은 방향으로 자기 모멘트가 정렬되고, 자유층을 지나면서 스핀 전달 토크를 발생시킬 수 있다. 자유층과 전자가 서로 자기 모멘트를 교환하는 과정에서 자유층의 자기 구조는 고정층과 같은 방향으로 스핀 전달 토크를 받을 수 있다. 이와 같은 스핀 전달 토크는 전자가 자성체를 지나갈 때 전자가 가진 스핀이 자성체에 전달되면서 자성체의 자기 모멘트가 전자의 스핀과 같은 방향으로 돌아가는 토크를 의미할 수 있다.
결과적으로 제1 자성층(21)은 제2 자성층(23)과 자화 방향이 같은 방향으로 스핀 전달 토크를 받아 제2 자성층의 자화 방향을 가질 수 있다.
도 3b를 참고하면 전류 인가부(31)의 전극에서 제1 자성층(21) 및 제2 자성층(23)으로 전자가 이동하는 경우, 전극을 통해 유입되는 전자는 정렬되어 있지 않아 자유층에 영향을 미치지 않을 수 있다. 또한 전자가 고정층에 진입할 때, 고정층과 반대 방향의 자기 모멘트를 가지는 전자는 뒤로 반사될 수 있다. 이 때, 자유층과 전자가 서로 자기 모멘트를 교환하는 과정에서 자유층의 자기 구조는 고정층과 반대 방향으로 스핀 전달 토크를 받을 수 있다.
결과적으로 제1 자성층(21)은 제2 자성층(23)과 자화 방향이 반대 방향으로 스핀 전달 토크를 받아 제2 자성층의 반대 자화 방향을 가질 수 있다.
도 3c는 이와 같은 자성층의 자기구조가 변형되는 것을 도시한 도면이다.
도 3c를 참고하면 제1 자성층(21)에 제1 방향의 자화가 형성되고, 제2 자성층(23)에 제2 방향의 자화가 형성된 경우, 자성층에서 전극으로 전자가 이동하는 경우 전류 인가부(31)의 전극 주위에 제2 자성층(23)과 같은 제2 방향의 자기 구조 변형이 발생할 수 있다.
헤비메탈층은 자유층과의 계면에서 DMI를 발생시켜 스커미온이 유지될 수 있도록 할 수 있으므로, 제1 자성층(21)의 계면에 제2 방향의 자화를 가지는 스커미온이 생성될 수 있다. 이때 전자의 이동 방향을 바꾸는 방식으로 자유층의 계면 상의 자기 구조 변형을 수행할 수 있으므로 다중 스커미온을 생성할 수 있다.
이하에서는 다중 스커미온을 생성하는 실시예들에 관하여 후술하도록 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전류 인가부에 의해 인가되는 펄스 전류에 관한 그래프를 나타내는 도면이다.
전류 인가부(31)는 구조체에 펄스 전류를 인가하여 스커미온 백 또는 다중 스커미온을 생성할 수 있다. 전류 인가부(31)에 의해 인가되는 전류가 도 4와 같은 펄스 전류라고 가정하는 경우 구조체에 인가되는 전류의 방향 및 크기에 따라 제1 시점(401), 제2 시점(405), 제3 시점(409), 제 4시점(413), 제1 구간(403), 제2 구간(407), 제3 구간(411)으로 나뉘어 설명 될 수 있다.
제1 시점(401)은 제1 자성층(21)은 제1 방향의 자화가 형성되고, 제2 자성층(23)은 제2 방향의 자화가 형성된 구조체에 전류 인가부(31)에 의해 전류가 인가되는 시점을 의미할 수 있다.
제1 구간(403)은 전류 인가부(31)에 의해 구조체에서 전류 인가부(31)의 전극으로 전자가 이동하는 구간, 즉 제 1방향으로 전자가 인가 되는 구간일 수 있다.
제2 시점(405)은 자기장 인가부에 의해 구조체에 제2 방향의 자기장을 인가하고 있는 시점 또는 제 2방향으로 전자가 인가 되기 시작하는 시점일 수 있다.
제2 구간(407)은 전류 인가부(31)에 의해 전류 인가부(31)의 전극에서 구조체로 전자가 이동하는 구간, 즉 제 2방향으로 전자가 인가 되는 구간일 수 있다.
제3 시점(409)은 제 1방향으로 전자가 인가 되기 시작하는 시점일 수 있다.
제3 구간(411)은 전류 인가부(31)에 의해 구조체에서 전류 인가부(31)의 전극으로 전자가 이동하는 구간, 즉 제 1방향으로 전자가 인가 되는 구간일 수 있다. 제3 구간에서의 최대 전류의 크기는 제1 구간에서의 최대 전류의 크기보다 작을 수 있다.
제4 시점(413)은 펄스 전류가 종료되는 시점 또는 주기가 끝나는 시점을 의미할 수 있다.
도 5a 내지 5f는 본 발명의 실시예에 따라 인가되는 펄스 전류에 따라 스커미온이 생성되는 과정을 나타내는 도면이고, 도 6a 내지 6f는 본 발명의 실시예에 따라 인가되는 펄스 전류에 따라 제1 자성층에서 스커미온이 생성되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 4에서의 제1 시점(401)은 도 5a 및 도 6a와 대응되고, 제1 구간(403)은 도 5b 및 도 6b와 대응되고, 제2 시점(405)은 도 5c 및 도 6c와 대응되고, 제2 구간(407)은 도 5d 및 도 6d와 대응되고, 제3 시점(409)은 도 5e 및 도 6e와 대응되고, 제3 구간(411)은 도 5f 및 도 6f와 대응될 수 있다.
도 5a 및 도 6a를 살피면 도 5a의 경우 제1 자성층(21)은 제1 방향의 자화가 형성되고, 제2 자성층(23)은 제2 방향의 자화가 형성된 구조체에 전류 인가부(31)에서의 전극(35)에 의해 전류가 인가되는 경우의 자화 방향과 전자의 이동 방향을 표시한 도면이다. 도 6a의 경우 제1 자성층(21)과 전극(35)이 접촉하는 지점에 관하여 개략적으로 도식화한 도면이다.
도 5b 및 도 6b를 살피면 도 5b의 경우, 전류 인가부(31)에 의해 구조체에서 전류 인가부(31)의 전극으로 전자가 이동할 때 전류 인가부(31)에서의 전극(35)에 의해 전류가 인가되는 경우의 자화 방향과 전자의 이동 방향을 표시한 도면이다. 이때 전류의 크기가 임계값 이상인 경우, 제1 자성층(21)에서 자기 구조 변형이 일어날 수 있다. 자기 구조 변형이 일어난 도 6b의 경우, 제1 자성층(21)과 전극(35)이 접촉하는 지점 및 자기 구조 변형에 의해 제1 스커미온(41)이 생성되는 것을 개략적으로 도식화한 도면이다.
이후 도 5c 및 도 6c를 살피면 도 5c의 경우, 자기장 인가부에 의해 구조체에 제2 방향의 자기장(33)을 인가하고 있는 도면이다. 구조체에 제2 방향의 자기장(33)을 인가 하면 자기 구조 변형이 발생된 제1 자성층(21)의 자화 변형 영역이 확장될 수 있다. 제2 방향으로 자기장(33)이 인가되는 도 6c의 경우, 제1 자성층(21)과 전극(35)이 접촉하는 지점 및 자기장(33)에 의해 제1 스커미온(41)이 확장되는 것을 개략적으로 도식화한 도면이다.
이후 도 5d 및 도 6d를 살피면 도 5d의 경우, 전류 인가부(31)에 의해 전류 인가부(31)의 전극에서 구조체로 전자가 이동하고, 제 2방향으로 전자가 인가 될 수 있다. 제1 자성층(21)은 제2 자성층(23)과 자화 방향이 반대 방향으로 스핀 전달 토크를 받아 제2 자성층의 반대 자화 방향을 가지는 자기 구조 변형이 발생할 수 있다. 도 6d의 경우, 제1 자성층(21)과 전극(35)이 접촉하는 지점 및 자기장(33)에 의해 제1 스커미온(41)의 내부에 제2 스커미온(43)이 생성되는 것을 개략적으로 도식화한 도면이다.
제1 스커미온(41)과 제2 스커미온(43)에 의해 스커미온 백이 생성될 수 있다. 다만 제1 스커미온(41) 내부에 추가적인 스커미온을 생성하는 방식으로 다른 종류의 스커미온 백을 생성할 수도 있다. 이를 위해 제1 스커미온(41) 내부의 제2 스커미온(43)을 이동시키고 다시 전극을 통해 제3 스커미온을 생성하는 방안을 후술한다.
도 5e 및 도 6e를 살피면 제 1방향으로 전자가 인가 되기 시작하는 시점을 도식화 한 것이다.
제1 방향으로 전자가 이동하도록 전류가 인가되는 도 5f 및 도 6f를 살피면, 최대 전류의 크기는 5b 및 5b에서 인가되는 최대 전류의 크기보다 작을 수 있다. 즉 제1 자성층(21)의 자기 구조의 변형이 발생되지 않고, 자화에 따른 반발력에 의해 제1 스커미온(41) 내부의 제2 스커미온(43)이 전극(35)으로부터 이동할 수 있다.
이후 제2 스커미온을 생성한 방식과 유사한 방식으로 전류를 인가하여 제3 스커미온 및 다중 스커미온을 가지는 스커미온 백을 생성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 백 생성 장치가 스커미온을 생성하는 과정을 나타내는 순서도이다.
도 7를 참고하면, 스커미온 백 생성 장치는 S701 단계에서, 자기장 인가부 또는 전류 인가부에 의해 제1 자성층에 제1 방향의 자화를 형성할 수 있다.
스커미온 백 생성 장치는 S703 단계에서, 자기장 인가부 또는 전류 인가부에 의해 제2 자성층에 제2 방향의 자화를 형성할 수 있다.
스커미온 백 생성 장치는 S705 단계에서, 제1 방향으로 전자가 이동하도록 전류를 인가하여, 제1 스커미온(Skyrmion)을 생성할 수 있다. 예컨대 전류 인가부(31)는 제2 방향으로 전류를 인가하게되는 경우, 제1 방향으로 전자가 이동한다. 즉 제1 자성층(21) 및 제2 자성층(23)에서 전류 인가부(31)의 전극으로 전자가 이동하도록 전류를 인가할 수 있다.
스커미온 백 생성 장치는 S705 단계에서, 제1 방향으로 전자가 이동하면 제1 자성층(21)의 계면에 제2 자성층의 자화 방향과 같은 방향으로 스핀 전달 토크를 받고, 제1 자성층(21)은 자기 구조 변형이 발생하여 제2 자화 방향을 가지는 제1 스커미온이 생성될 수 있다.
스커미온 백 생성 장치는 S707 단계에서, 제1 자성층(21)에, 제2 방향으로 자기장을 인가할 수 있다. 구체적으로 제2 자화 방향을 가지는 제1 스커미온의 크기를 확장하기 위해 제2 방향으로 자기장을 인가할 수 있다. 제1 스커미온은 자기장에 의해 제2 방향의 자화 영역이 확장될 수 있다.
스커미온 백 생성 장치는 S709 단계에서, 제1 스커미온의 크기를 확인할 수 있다. 예를 들면 제1 스커미온의 크기가 임계값 이상인 경우 자기장 인가부에 의해 인가되는 자기장을 차단할 수 있다. 이와 같이 제1 스커미온을 생성하고 이하에서는 제1 스커미온 내부에 다중 스커미온을 생성하는 방법에 관하여 후술한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 백 생성 장치가 스커미온 백을 생성하는 과정을 나타내는 순서도이다.
스커미온 백 생성 장치는 일련의 과정을 통해 생성된 제1 스커미온 내부에 적어도 한 개 이상의 스커미온을 생성할 수 있다.
도 8을 참고하면, 스커미온 백 생성 장치는 S801 단계에서, 제1 자성층에, 제2 방향으로 전자가 이동하도록 전류를 인가하여, 제1 스커미온 내부에 제2 스커미온을 생성할 수 있다. 구체적으로 전류 인가부(31)에 의해 전류 인가부(31)의 전극에서 구조체로 전자가 이동하고 제1 자성층(21)은 제2 자성층(23)과 자화 방향이 반대 방향으로 스핀 전달 토크를 받아 제2 자성층의 반대 자화 방향을 가지는 자기 구조 변형이 발생할 수 있다.
즉 제1 자성층(21)에 제2 방향과 반대 방향인 제1 방향의 자기 구조 변형이 발생하므로, 계면에 위치한 제1 스커미온 내부에 제2 스커미온을 생성할 수 있다.
스커미온 백 생성 장치는 S803 단계에서 제1 스커미온 내부에 생성된 제2 스커미온을 이동시킬 수 있다. 이는 전류 인가부의 전극의 위치로부터 제2 스커미온을 이동시키고 다시 제3 스커미온을 생성하기 위함이다. 예컨대 제2 스커미온에 제1 방향으로 전자가 이동하도록 전류를 인가하는 방식으로 제2 스커미온을 이동시킬 수 있다. 이때 S803 단계에서의 최대 전류의 크기는 S705 단계에서의 최대 전류의 크기보다 작을 수 있다.
스커미온 백 생성 장치는 S805 단계에서 제1 자성층에 제2 방향으로 전자가 이동하도록 전류를 인가하여, 제1 스커미온 내부에 제3 스커미온을 생성할 수 있다. 이는 제2 스커미온을 생성하는 과정과 동일하다.
도 7 및 도 8에서의 스커미온 백 생성 장치에 의해 구조체에 제1 스커미온 내부에 별도의 스커미온이 있는 스커미온 백을 생성할 수 있다.
도 7 및 도 8에서의 자화 방향 및 전류 방향을 변경할 경우, 스커미온 백의 자화 방향 또한 변경될 수 있으며, 이는 통상의 기술자에게 자명한 사항이다.
S803 단계에서 먼저 전극을 이용하야 제2 스커미온에 제1 방향으로 전자가 이동하도록 전류를 인가하는 방식에 관하여 전술하였다. 이하에서는 제1 스커미온 내부에 생성된 제2 스커미온을 이동시키는 다양한 방법에 관하여 후술하도록 한다.
도 9a 내지 도 9e는 제2 스커미온을 이동시키는 방법에 관한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 9a를 참고하면, 구조체에 수평방향의 자기장(901)을 인가하여 스커미온 백 전체를 이동시키는 방법이 있을 수 있다. 이와 같은 방식을 통해 스커미온 백을 이동시키고, 제2 스커미온과 전극이 떨어져있고, 제1 스커미온의 내부에 위치한 경우 제3 스커미온을 생성하는 방식을 통해 다른 종류의 스커미온 백을 생성할 수 있다.
도 9b를 참고하면, 구조체에 수평방향의 전류(903)를 인가하여 스커미온 백 전체를 이동시키는 방법이 있을 수 있다. 이와 같은 방식을 통해 스커미온 백을 이동시키고, 제2 스커미온과 전극이 떨어져있고, 제1 스커미온의 내부에 위치한 경우 제3 스커미온을 생성하는 방식을 통해 다른 종류의 스커미온 백을 생성할 수 있다.
도 9c를 참고하면, 구조체에 교류 자기장(905)을 인가하고 스핀파(907)를 발생시키는 방식을 통해 제2 스커미온을 이동시키는 방법이 있을 수 있다. 제2 스커미온을 전극으로부터 이격시킨뒤, 제1 스커미온의 내부에 위치한 경우 제3 스커미온을 생성하는 방식을 통해 다른 종류의 스커미온 백을 생성할 수 있다.
도 9d 및 도 9e를 참고하면 최초 전극의 위치를 비대칭 하게 배치한 뒤 제1 스커미온, 제2 스커미온을 생성하게 되면, 비대칭 포텐셜로 인하여 스커미온이 포텐셜 에너지가 최소화 되는 방향으로 이동할 수 있다. 예를 들면 전극의 위치가 제1 자성층의 일 측면에 치우쳐 있는 경우, 스커미온이 생성되면 도파로 경계등에 의한 반발력으로 인해 제1 자성층의 중앙으로 이동하게 될 수 있다. 이와 같은 방식으로 제2 스커미온을 전극으로부터 이격시킨뒤, 제1 스커미온의 내부에 위치한 경우 제3 스커미온을 생성하는 방식을 통해 다른 종류의 스커미온 백을 생성할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 백 생성 장치의 블록 구성을 나타내는 도면이다.
스커미온 백 생성 장치(1000)는 제어부(1010), 전류 인가부(1020), 자기장 인가부(1030) 및 구조체(1040)을 포함하는 것으로 도시하였으나 반드시 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면 제어부(1010), 전류 인가부(1020), 자기장 인가부(1030) 및 구조체(1040)는 물리적으로 독립한 구성일 수 있다.
제어부(1010)는 스커미온 백 생성 장치(1000)를 전반적으로 제어하기 위한 구성일 수 있다. 구체적으로 제어부(1010)는 CPU, 램(RAM), 롬(ROM), 시스템 버스 등을 포함할 수 있다. 제어부(1010)는 단일 CPU 또는 복수의 CPU(또는 DSP, SoC)로 구현될 수 있다. 일 실시예로, 제어부(1010)는 디지털 신호를 처리하는 디지털 시그널 프로세서(digital signal processor(DSP), 마이크로프로세서(microprocessor), TCON(Time controller)으로 구현될 수 있다.
예컨대 제어부(1010)는 제1 자성층에 제1 방향의 자화를 형성하고, 제2 자성층에 제2 방향의 자화를 형성하며, 제1 자성층에, 제1 방향으로 전자가 이동하도록 전류를 인가하여, 제1 스커미온을 생성하고, 제1 자성층에, 제2 방향으로 전자가 이동하도록 전류를 인가하여, 제1 스커미온 내부에 제2 스커미온을 생성하도록 제어할 수 있다.
전류 인가부(1020)는 구조체(1040)에 전류를 인가하여 스커미온 백을 생성하거나 이동을 제어할 수 있다.
자기장 인가부(1030)는 구조체(1040)에 자기장을 인가하여 스커미온의 크기를 변경하거나, 스커미온의 이동을 제어할 수 있다.
구조체(1040)는 제1 자성층, 제2 자성층 및 헤비메탈층을 포함할 수 있으며 제어부(1010), 전류 인가부(1020), 자기장 인가부(1030)에 기반하여 제1 자성층의 계면에 스커미온 백을 생성할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 게시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (15)

  1. 스커미온 백을 생성하는 방법에 있어서,
    제1 자성층에 제1 방향의 자화를 형성하는 단계;
    제2 자성층에 제2 방향의 자화를 형성하는 단계;
    상기 제1 자성층에, 상기 제1 방향으로 전자가 이동하도록 전류를 인가하여, 제1 스커미온(Skyrmion)을 생성하는 단계;
    상기 제1 자성층에, 상기 제2 방향으로 전자가 이동하도록 전류를 인가하여, 상기 제1 스커미온 내부에 제2 스커미온을 생성하는 단계를 포함하는 스커미온 백을 생성하는 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 자성층에, 상기 제2 방향으로 자기장을 인가하는 단계;
    상기 제1 스커미온의 크기를 확인하는 단계;
    상기 제1 스커미온의 크기가 임계값 이상인 경우, 상기 자기장을 차단하는 단계를 더 포함하는 스커미온 백을 생성하는 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 자성층에 상기 제2 방향으로 전자가 이동하도록 전류를 인가하고, 상기 제1 스커미온 내부에 제3 스커미온을 생성하는 단계를 더 포함하는 스커미온 백을 생성하는 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    펄스 전류를 인가하여, 상기 제1 스커미온 내부에 복수개의 스커미온을 생성하는 단계를 더 포함하는 스커미온 백을 생성하는 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 스커미온 내부에 생성된 상기 제2 스커미온을 이동시키는 단계를 더 포함하는 스커미온 백을 생성하는 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 스커미온 내부에 생성된 상기 제2 스커미온을 이동시키는 단계는,
    상기 제2 스커미온에 제1 방향으로 전자가 이동하도록 전류를 인가하는 단계를 포함하는 스커미온 백을 생성하는 방법.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 스커미온 내부에 생성된 상기 제2 스커미온을 이동시키는 단계는,
    상기 제1 자성층에 수평방향의 자기장을 인가하는 단계를 포함하는 스커미온 백을 생성하는 방법.
  8. 전류를 인가하는 전류 인가부;
    자기장을 인가하는 자기장 인가부;
    헤비메탈층;
    제1 방향의 자화가 형성되고, 전류 및 자기장에 기반하여 제1 스커미온(Skyrmion)이 생성되고, 전류에 기반하여 상기 제1 스커미온 내부에 제2 스커미온이 생성되는 제1 자성층; 및
    제2 방향의 자화가 형성되는 제2 자성층;
    을 포함하는 스커미온 백 생성 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 자성층에 상기 제1 방향의 자화를 형성하고, 상기 제2 자성층에 상기 제2 방향의 자화를 형성하며, 상기 제1 자성층에, 상기 제1 방향으로 전자가 이동하도록 전류를 인가하여, 상기 제1 스커미온을 생성하고, 상기 제1 자성층에, 상기 제2 방향으로 전자가 이동하도록 전류를 인가하여, 상기 제1 스커미온 내부에 제2 스커미온을 생성하도록 제어하는 제어부를 더 포함하는 스커미온 백 생성 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 자성층에, 상기 제2 방향으로 자기장을 인가하고, 상기 제1 스커미온의 크기를 확인하며, 상기 제1 스커미온의 크기가 임계값 이상인 경우, 상기 자기장을 차단하는 스커미온 백 생성 장치.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 자성층에 상기 제2 방향으로 전자가 이동하도록 전류를 인가하여, 상기 제1 스커미온 내부에 상기 제3 스커미온을 생성하는 스커미온 백 생성 장치.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 스커미온 내부에 생성된 상기 제2 스커미온을 이동시키는 스커미온 백 생성 장치.
  13. 제8 항에 있어서,
    상기 헤비메탈층은 상기 제1 자성층 및 상기 제2 자성층 사이에 형성되는 스커미온 백 생성 장치.
  14. 제8 항에 있어서,
    상기 헤비메탈층, 상기 제1 자성층 및 상기 제2 자성층에 의해 Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) 작용이 발생하는 스커미온 백 생성 장치.
  15. 제8 항에 있어서,
    상기 헤비메탈층은, 플래티넘, 탄탈, 이리듐, 탄탈륨, 하프늄, 텅스텐, 팔라듐 중 어느 하나 혹은 둘 이상 혼합물인, 스커미온 백 생성 장치.
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