WO2024005277A1 - 스커미온 거동을 제어하기 위한 메탈구조물 및 제어 방법 - Google Patents

스커미온 거동을 제어하기 위한 메탈구조물 및 제어 방법 Download PDF

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WO2024005277A1
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waveguide
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이기석
한희성
정대한
김강휘
정수영
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UNIST Academy Industry Research Corp
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    • 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
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    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details

Definitions

  • the present invention relates to a metal structure applicable to semiconductor devices, and more specifically, to a metal structure or method for controlling skyrmions.
  • a magnetic skyrmion (hereinafter referred to as a skyrmion) is a vortex-shaped spin structure that is magnetized in opposite directions on the inside and outside, and logic operations are performed by corresponding the cases where a skyrmion exists in a memory element and the cases where it does not exist with each digital code. It can be designed to perform.
  • the embodiments of the present specification are proposed to solve the above-mentioned problems, and more specifically, to propose a metal structure or method for controlling skyrmions.
  • the metal structure for achieving the above-described problem includes a magnetic layer; And it may include a heavy metal layer formed on the magnetic layer, having a convex portion, and guiding the first skyrmion in the magnetic layer to move.
  • the metal structure may be formed by a zero boundary of interfacial Dzyaloshinskii Moriya Inter action (DMI) in the magnetic layer.
  • DMI Dzyaloshinskii Moriya Inter action
  • the convex portion may be convex in a direction in which the skyrmion Hall effect occurs, a second skyrmion may be disposed, and the second skyrmion may be formed so as not to move due to spin transfer torque.
  • the convex portion may be formed so that the second skyrmion moves by a spin transfer torque corresponding to the second skyrmion and a repulsive force of the first skyrmion and the second skyrmion.
  • the metal structure for achieving the above-described problem includes a magnetic layer; and a heavy metal layer formed on the magnetic layer, having convex portions and concave portions, and guiding the output skyrmion in the magnetic layer to move, wherein the heavy metal layer is positioned between the input skyrmion and the output skyrmion. Based on the repulsion force and the potential energy generated by the concave portion, the movement of the output skyrmion can be determined, and a NAND gate can be implemented based on the output skyrmion.
  • the heavy metal layer includes a first waveguide corresponding to the convex portion and a second waveguide corresponding to the concave portion, the input skyrmion is located at one end of the first waveguide, and the input skyrmion is located at one end of the second waveguide.
  • An output skyrmion may be located.
  • the output skyrmion when the input skyrmion is one, the output skyrmion is located at the other end of the second waveguide, and when the input skyrmion is two, the output skyrmion is not located at the other end of the second waveguide. It may not be possible.
  • the heavy metal layer may determine the movement of the carry skyrmion based on the skyrmion and the repulsion force of the input skyrmion, and implement an adder based on the carry skyrmion and the output skyrmion.
  • the heavy metal layer may include a first waveguide, a second waveguide, and a third waveguide corresponding to the concave portion.
  • the input skyrmion may be located at one end of the first waveguide, the output skyrmion may be located at one end of the second waveguide, and the carry skyrmion may be located at one end of the third waveguide.
  • the other end of the first waveguide may have a concave portion
  • the second waveguide may have a concave portion between one end and the other end
  • the third waveguide may have a concave portion between one end and the other end.
  • the output skyrmion is located at the other end of the second waveguide, the carry skyrmion is not located at the other end of the third waveguide, and the input skyrmion is 2.
  • the carry skyrmion may be located at the other end of the third waveguide.
  • a method of controlling the behavior of a skyrmion to achieve the above-described problem includes arranging the second skyrmion on a convex portion; Applying a current to the metal structure to apply spin transfer torque to the first skyrmion and the second skyrmion; moving the first skyrmion; Characterized in that it includes the step of moving the second skyrmion based on the repulsive force between the first skyrmion and the second skyrmion.
  • a method of controlling the behavior of skyrmions to achieve the above-described problem includes the steps of: positioning an input skyrmion at one end of a first waveguide having a convex part, and positioning an output skyrmion at one end of a second waveguide having a concave part; applying a current; determining movement of the output skyrmion in the concave portion based on a repulsive force between the input skyrmion and the output skyrmion and potential energy by the concave portion; Characterized by comprising the step of performing a NAND logic operation based on whether the output skyrmion is located at the other end of the second waveguide.
  • a method of controlling the behavior of a skyrmion to achieve the above-mentioned problem is to place an input skyrmion at one end of the first waveguide, which has a concave portion at the other end of the first waveguide, and one end of the second waveguide having a concave portion.
  • the sum value is Step 1;
  • the input skyrmion is two, the output skyrmion is not located at the other end of the second waveguide, the carry skyrmion is located at the other end of the third waveguide, and setting the sum value to 10. It is characterized by:
  • the behavior of skyrmions can be controlled using a relatively simple structure.
  • the position of the skyrmion can be controlled.
  • logical operations can be performed using the movement and interference of skyrmions.
  • Figure 1 is a diagram schematically showing the movement of skyrmions according to the skyrmion Hall effect.
  • Figures 2a and 2b are diagrams showing the movement and interference of skyrmions in a waveguide according to an embodiment of the present invention.
  • 3A and 3B are diagrams showing skyrmion movement and interference over time in a waveguide according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 4A and 4B are diagrams showing potential energy related to skyrmions in a metal structure according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a diagram showing driving current in a metal structure according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a diagram schematically showing a metal structure according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a diagram schematically showing a metal structure implementing convex portions and concave portions according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 8a is a diagram schematically showing a NAND logic gate using a metal structure according to an embodiment of the present invention.
  • 8B to 8G are diagrams schematically showing the operation of a NAND logic gate using a metal structure according to an embodiment of the present invention over time.
  • Figure 9a is a diagram schematically showing an adder using a metal structure according to an embodiment of the present invention.
  • 9B to 9G are diagrams schematically showing the operation of an adder using a metal structure according to an embodiment of the present invention over time.
  • Figure 10 is a diagram showing a skyrmion control method according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 11 is a diagram showing a NAND logic gate control method according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 12 is a diagram showing an adder control method according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 13 is a block diagram showing the block configuration of a skyrmion control 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 vortex-shaped spin structure in which the inside and outside are magnetized in opposite directions, and may refer to a magnetic skyrmion.
  • the convex part may mean an area where the waveguide is widened in the waveguide through which the skyrmion moves
  • the concave part may mean an area where the waveguide of the skyrmion is narrowed in the waveguide where the skyrmion moves.
  • a waveguide it can be etched to become wider or narrower.
  • the waveguide may widen or narrow the area where Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) occurs. This will be described in detail later.
  • DMI Dzyaloshinskii-Moriya interaction
  • Figure 1 is a diagram schematically showing the movement of skyrmions according to the skyrmion Hall effect.
  • STT spin-transfer torque
  • the direction of movement of the magnetic structure by STT is the same as the direction of movement of electrons.
  • it can receive an additional force called the skyrmion Hall effect in a direction perpendicular to the direction of electron movement.
  • the direction of the skyrmion Hall effect can be determined by the phase of the skyrmion, that is, the direction in which the skyrmion is twisted.
  • the direction of electron movement is to the right, the skyrmion phase, or the twisting direction of the skyrmion, is the direction toward the origin in the skyrmion orbit, and the direction of the skyrmion Hall effect is perpendicular to the direction of electron movement. It may be in a downward direction.
  • the direction of the skyrmion Hall effect may be upward perpendicular to the direction of electron movement.
  • the movement trajectory of skyrmions due to the skyrmion Hall effect can be modified in various ways depending on the type of skyrmion, magnetization direction, etc.
  • FIGS. 2A and 2B are diagrams showing the movement and interference of skyrmions in a waveguide according to an embodiment of the present invention, and schematically show control or limitation of the behavior of skyrmions according to a convex portion according to an embodiment of the present invention.
  • the first skyrmion 21 can move electrons by placing the second skyrmion 23 at one end of the waveguide and applying a current to the convex portion.
  • the first skyrmion 21 and the second skyrmion 23 are sufficiently far apart, looking at the force affecting the movement of the first skyrmion 21, STT and skyrmion Hall effect due to the movement of electrons , the first skyrmion 21 may move in the direction of electron movement due to the repulsive force according to the waveguide boundary.
  • the second skyrmion 23 receives a force due to STT due to the movement of electrons, and since the direction of the skyrmion Hall effect is the direction in which the convex part is formed, the force applied to the second skyrmion 23 by the convex waveguide repulsion force The sum can be 0. Therefore, the movement of the second skyrmion 23 may be restricted.
  • the gap between the first skyrmion 21 and the second skyrmion 23 becomes such that the repulsive force between skyrmions cannot be ignored. It can be expressed.
  • the second skyrmion 23 receives a force due to STT due to the movement of electrons, and since the direction of the skyrmion Hall effect is the direction in which the convex part is formed, the force applied to the second skyrmion 23 by the convex waveguide repulsion force
  • the repulsive force of the first skyrmion 21 and the second skyrmion 23 may be applied to the second skyrmion 23.
  • the second skyrmion 23 can leave the convex portion and move in the direction of electron movement by STT.
  • the first skyrmion 21 pushes the second skyrmion 23 with a repulsive force and may be located in the convex portion.
  • 3A and 3B are diagrams showing skyrmion movement and interference over time in a waveguide according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3a shows interference between skyrmions in the convex portion when 0.42 ns has elapsed after applying a current
  • Figure 3b shows that when 0.54 ns has elapsed after applying a current, the skyrmions located in the convex portion are convex. It shows the phenomenon of moving away from the negative side and moving according to the direction of electron movement.
  • FIGS. 4A and 4B are diagrams showing potential energy related to skyrmions in a metal structure according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 4A and 4B are for explanation of the position and movement control of skyrmions.
  • Figure 4a shows the potential energy for skyrmions located in the convex portion.
  • the skyrmion located in the convex part is affected by the potential energy caused by the convex part.
  • a current is applied to the skyrmion, a force according to STT is applied to the skyrmion, but if the energy of the skyrmion due to STT does not exceed the potential energy, the skyrmion cannot escape from the convex part.
  • Figure 4b shows the potential energy for skyrmions located in the recess.
  • Skyrmions located in the concave part are affected by the potential energy caused by the concave part.
  • a current is applied to the skyrmion, a force according to STT is applied to the skyrmion, but if the energy of the skyrmion due to STT does not exceed the potential energy, the skyrmion cannot escape from the concave part.
  • skyrmions may move in a direction where potential energy is minimized.
  • Figure 5 is a diagram showing driving current in a metal structure according to an embodiment of the present invention.
  • the STT applied to the skyrmion is proportional to the intensity of the current. Therefore, when configuring the convex part according to an embodiment of the present invention, the driving current that can control the movement of the skyrmion can be confirmed using the convex part.
  • Width 1 which is the width of the waveguide
  • Width 2 which is the width of the convex portion
  • Table 1 is the minimum current at which a skyrmion can escape the convex part by skyrmion interference
  • Table 2 is the maximum current at which a skyrmion can be located in the convex part.
  • the driving current according to the present invention may be greater than the minimum driving current density or less than the maximum driving current density.
  • Figure 6 is a diagram schematically showing a metal structure according to an embodiment of the present invention.
  • the metal structure for controlling skyrmion behavior consists of a heavy metal layer 61 and a magnetic layer 63.
  • the magnetic layer 63 is a material that is strongly magnetized in the direction of the magnetic field when a strong magnetic field is applied from the outside and then remains magnetized even when the external magnetic field disappears. Specifically, it is an alloy-based magnetic material such as CoFe, CoFeB, etc., or Co2FeSi, which has perpendicular anisotropy. Heusler alloy-based magnetic materials such as Co2MnSi may be used.
  • Such a magnetic layer 63 is formed as a single layer (for example, through processes such as sputtering, molecular beam epitaxy (MBE), atomic layer deposition (ALD), pulse laser deposition (PLD), and electron beam evaporator).
  • MBE molecular beam epitaxy
  • ALD atomic layer deposition
  • PLD pulse laser deposition
  • electron beam evaporator As a mono_layer structure, it can be formed as a single layer for interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) or as a multilayer structure.
  • DMI interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction
  • the magnetic layer 63 has a single-layer structure, and its thickness may range from, for example, several ⁇ to several nm, and its line width may range, for example, from several tens of nm to several ⁇ m. there is.
  • any one or a mixture of two or more of platinum, tantalum, iridium, tantalum, hafnium, tungsten, and palladium may be used, and processes such as sputtering, MBE, ALD, and PLD electron beam evaporator may be used as the heavy metal layer 61. It can be formed into a single-layer structure or a multi-layer structure.
  • the thickness of the heavy metal layer 61 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.
  • the heavy metal layer 61 is formed on the magnetic layer, may have a convex portion or a concave portion, and may be provided with a waveguide that guides the first skyrmion in the magnetic layer to move.
  • the heavy metal layer 61 can be formed to include a plurality of waveguides, and the metal structure according to the present invention can implement a digital logic circuit, gate, etc. based on the plurality of waveguides.
  • the convex portion is convex in the direction in which the skyrmion Hall effect occurs, and the second skyrmion may be disposed.
  • the convex portion is an area where the width of the waveguide that guides the skyrmion to move is widened, and the movement of the skyrmion can be restricted using the waveguide repulsion force or potential energy.
  • the convex portion may be formed to prevent the second skyrmion from moving due to spin transfer torque. Additionally, the convex portion may be formed so that the second skyrmion deviates from the convex portion due to repulsive force caused by interference between the first skyrmion and the second skyrmion. In addition, the convex portion may be formed to prevent the first skyrmion from moving due to spin transfer torque after the first skyrmion pushes the second skyrmion based on the repulsion force. A plurality of such convex portions may be disposed on the waveguide.
  • the concave portion may be concave in the direction in which the skyrmion Hall effect occurs.
  • the concave portion is a narrowing area in the waveguide through which skyrmions are guided to move, and the movement of skyrmions can be restricted using waveguide repulsion or potential energy.
  • This concave portion may be formed so that skyrmions placed in the concave portion do not move due to spin transfer torque. Additionally, the concave portion may be formed to deviate from the concave portion due to a repulsive force caused by interference between skyrmions. A plurality of such recesses may be disposed on the waveguide.
  • Figure 7 is a diagram schematically showing a metal structure implementing convex portions and concave portions according to an embodiment of the present invention.
  • the waveguide can be etched to become wider or narrower.
  • This structure has limitations in increasing the degree of integration. There may be.
  • Skyrmions can only move in areas where Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) occurs, so the area where DMI is formed can act as a waveguide.
  • DMI Dzyaloshinskii-Moriya interaction
  • first metal structure 71 and the second metal structure 73 may include a magnetic layer and a heavy metal layer formed along the longitudinal direction on one side of the magnetic layer and having a linewidth relatively smaller than the linewidth of the magnetic layer.
  • skyrmions can be guided, that is, with the magnetic layer and the heavy metal layer placed in a magnetic field, the skyrmions in the magnetic layer can be guided to move (exit) along the longitudinal direction.
  • Skyrmions can be guided through a potential barrier formed by the DMI zero boundary within the magnetic layer. In other words, skyrmions can be guided to move along the length direction only within the magnetic layer immediately above the heavy metal layer.
  • the third metal structure 75 and the fourth metal structure 77 may include a first heavy metal layer, a magnetic layer formed on the first heavy metal layer, and a second heavy metal layer formed on the magnetic layer.
  • the second heavy metal layer includes a first region (A) in which the second heavy metal layer and the magnetic layer are not bonded, and a second region (B) in which the second heavy metal layer and the magnetic layer are bonded, and a first region on the magnetic layer.
  • a skyrmion can be formed by the DMI zero boundary.
  • Figure 8a is a diagram schematically showing a NAND logic gate using a metal structure according to an embodiment of the present invention.
  • the convex part can be used as an AND logic gate, and the concave part can be used as a NOT logic gate.
  • NAND operation After placing the input skyrmions (811a, 811b) on one end of the first waveguide (801) using the AND gate and NOT gate as above, and placing the output skyrmion (813) on one end of the second waveguide (803) , NAND operation can be performed by applying current.
  • the heavy metal layer may be formed to determine the movement of the output skyrmion based on the repulsion between the input skyrmion and the output skyrmion and the potential energy generated by the concave portion.
  • 8B to 8G are diagrams schematically showing the operation of a NAND logic gate using a metal structure according to an embodiment of the present invention over time.
  • FIG. 8B it can be seen that one input skyrmion 811 is placed at one end of the first waveguide 801, and an output skyrmion 813 is placed at one end of the second waveguide 803. Since there is one input skyrmion 811 on the first waveguide 801, the input may mean (1,0). When a driving current is applied, the input skyrmion 811 can move to the convex part, and the output skyrmion 813 can move to the concave part, as shown in FIG. 8C.
  • the output skyrmion 813 may deviate from the concave portion and be located at the other end of the second waveguide 803 because the repulsive force with the input skyrmion 811 is not strong enough, as shown in FIG. 8D. .
  • the output may mean 1.
  • the first input skyrmion 811a and the second input skyrmion 811b are placed at one end of the first waveguide 801, and the output skyrmion 813 is placed at one end of the second waveguide 803. It can indicate placement. Since the first input skyrmion 811a and the second input skyrmion 811b are placed on the first waveguide 801, the input may mean (1,1). When a driving current is applied, the first input skyrmion (811a) moves to the convex portion as shown in Figure 8f, and the second input skyrmion (811b) is on the first waveguide (801) that can interfere with the output skyrmion (813). You can move to the other end.
  • the output skyrmion 813 can move up to the recess. When the driving current is continuously applied, the output skyrmion 813 may not be able to escape from the concave portion due to the repulsive force of the second input skyrmion 811b, as shown in FIG. 8g. Since the output skyrmion 813 did not reach the other end of the second waveguide 803, the output may mean 0.
  • Figure 9a is a diagram schematically showing an adder using a metal structure according to an embodiment of the present invention.
  • the NAND logic operation was performed using the metal structure, and furthermore, an adder or half adder can be implemented using the XOR logic operation and the AND logic operation.
  • the adder can be implemented by further placing a carry skyrmion 915 at one end of the third waveguide 905.
  • the other end of the first waveguide 901 may have a concave portion
  • the second waveguide 903 and the third waveguide 905 may have a concave portion on the waveguide.
  • the heavy metal layer determines the movement of the output skyrmion based on the repulsion force of the input skyrmion (911a, 911b) and the output skyrmion (913) and the potential energy by the concave part, and the carry skyrmion (915) and the output Based on the repulsive force of the skyrmion 913, the movement of the carry skyrmion 915 can be determined, and an adder can be implemented based on the carry skyrmion 915 and the output skyrmion 913.
  • 9B to 9G are diagrams schematically showing the operation of an adder using a metal structure according to an embodiment of the present invention over time.
  • one input skyrmion 911 is placed at one end of the first waveguide 901
  • an output skyrmion 913 is placed at one end of the second waveguide 903
  • a carry is placed at one end of the third waveguide 905. It can indicate that the skyrmion 915 has been placed. Since there is one input skyrmion 911 on the first waveguide 901, the input may mean (1,0). When a driving current is applied, the input skyrmion 911 can move to the front end of the concave portion, and the output skyrmion 913 can move up to the concave portion, as shown in FIG. 9C.
  • the output skyrmion 913 may deviate from the concave portion and be located at the other end of the second waveguide 903 because the repulsive force with the input skyrmion 911 is not strong enough, as shown in Figure 9d. .
  • the carry skyrmion 915 it cannot escape the concave part due to the potential energy of the concave part on the third waveguide 905.
  • the output skyrmion 913 reached the other end of the second waveguide 903, and the carry skyrmion 915 did not reach the other end of the third waveguide 905, so the output means (1,0). can do.
  • a first input skyrmion 911a and a second input skyrmion 911b are placed at one end of the first waveguide 901, and an output skyrmion 913 is placed at one end of the second waveguide 903. It may indicate that the carry skyrmion 915 is placed at one end of the third waveguide 905. Since the first input skyrmion 911a and the second input skyrmion 911b are placed on the first waveguide 901, the input may mean (1,1).
  • the first input skyrmion (911a) moves to the front end of the concave portion, as shown in Figure 9f, and the second input skyrmion (911b) may interfere with the output skyrmion (913) and the carry skyrmion (915). It can move to the other end of the first waveguide 901.
  • the output skyrmion 913 can move up to the recess.
  • the output skyrmion 913 may not be able to escape from the concave portion due to the repulsive force of the second input skyrmion 911b, as shown in FIG. 9g.
  • the carry skyrmion 915 at one end of the third waveguide 905 may escape from the concave portion due to a repulsive force with the second input skyrmion 911b.
  • This carry skyrmion 915 may be located at the other end of the third waveguide 905.
  • the output skyrmion 913 did not reach the other end of the second waveguide 903, and the carry skyrmion 915 reached the other end of the third waveguide 905, the output can mean (0,1). there is.
  • Figure 10 is a diagram showing a skyrmion control method according to an embodiment of the present invention.
  • the skyrmion control device may place the first skyrmion at one end of the waveguide and the second skyrmion at the convex portion in step S1001.
  • the skyrmion control device may apply a driving current to the metal structure in step S1003 to apply spin transfer torque to the first skyrmion and the second skyrmion.
  • the skyrmion control device may move the first skyrmion based on STT in step S1005. Additionally, the skyrmion control device can limit the movement of the second skyrmion by using the convex portion of the metal structure.
  • the skyrmion control device may move the second skyrmion based on the repulsion force and STT between the first skyrmion and the second skyrmion in step S1007.
  • the skyrmion control device can move the skyrmions located in the convex portion in series in this way. The same method can also be applied to concave parts.
  • Figure 11 is a diagram showing a NAND logic gate control method according to an embodiment of the present invention.
  • the skyrmion control device may position the input skyrmion at one end of the first waveguide having a convex portion and position the output skyrmion at one end of the second waveguide having a concave portion.
  • the skyrmion control device may move the input skyrmion based on STT in step S1103. Additionally, the skyrmion control device can limit the movement of the output skyrmion by using a concave part in the metal structure.
  • the skyrmion control device may determine the movement of the output skyrmion in the concave portion based on the repulsive force between the input skyrmion and the output skyrmion and the potential energy by the concave portion.
  • the skyrmion control device may perform NAND logic operation in step S1107. For example, a NAND logic operation may be performed based on whether the output skyrmion is located at the other end of the second waveguide.
  • Figure 12 is a diagram showing an adder control method according to an embodiment of the present invention.
  • step S1201 the skyrmion control device places an input skyrmion at one end of a first waveguide having a concave portion at the other end, places an output skyrmion at one end of a second waveguide having a concave portion, and places an output skyrmion at one end of a third waveguide having a concave portion. You can place the carry skyrmion in .
  • the skyrmion control device may move the input skyrmion based on STT in step S1203. Additionally, the skyrmion control device can limit the movement of the output skyrmion and carry skyrmion by using a concave part in the metal structure.
  • the skyrmion control device may determine the movement of the output skyrmion in the concave portion based on the repulsive force between the input skyrmion and the output skyrmion and the potential energy by the concave portion.
  • the skyrmion control device may determine the movement of the carry skyrmion in the concave portion based on the repulsion force of the carry skyrmion and the input skyrmion in step S1207.
  • the skyrmion control device may perform an addition operation based on whether the carry skyrmion is located at the other end of the third waveguide and the output skyrmion is located at the other end of the second waveguide in step S1209.
  • FIG. 13 is a block diagram showing the block configuration of a skyrmion control device according to an embodiment of the present invention.
  • the skyrmion control device 1300 is shown as including a control unit 1310, a current application unit 1320, and a metal structure 1330, but is not necessarily limited thereto.
  • the control unit 1310, the current applicator 1320, and the metal structure 1330 may be physically independent structures.
  • the control unit 1310 may be configured to generally control the skyrmion control device 1300.
  • the control unit 1310 may include a CPU, RAM, ROM, and a system bus.
  • the control unit 1310 may be implemented with a single CPU or multiple CPUs (or DSP, SoC).
  • the control unit 1310 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 1310 places the second skyrmion on the convex portion, applies current to the metal structure, and applies spin transfer torque to the first skyrmion and the second skyrmion.
  • the first skyrmion can be moved, and the second skyrmion can be moved based on the repulsive force between the first skyrmion and the second skyrmion.
  • the current applicator 1320 may apply a driving current for the skyrmion to move to the metal structure.
  • the metal structure 1330 may include a heavy metal layer and a magnetic layer, and the heavy metal layer may be formed on the top or bottom of the magnetic layer, may have convex portions or concave portions, and may be provided with a waveguide that guides skyrmions in the magnetic layer to move. there is.

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Abstract

본 발명은 반도체 소자에 적용 가능한 메탈 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스커미온(Skyrmion)을 제어하기 위한 메탈구조물 또는 방법에 관한 것이다. 본 명세서의 실시예에 따른 메탈구조물은, 자성층; 및 상기 자성층에 형성되고, 볼록부를 구비하고, 상기 자성층 내의 제1 스커미온(Skyrmion)이 이동하도록 가이딩하는 헤비메탈층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

스커미온 거동을 제어하기 위한 메탈구조물 및 제어 방법
본 발명은 반도체 소자에 적용 가능한 메탈 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스커미온(Skyrmion)을 제어하기 위한 메탈구조물 또는 방법에 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.
자기 스커미온(이하 스커미온)은 안밖이 서로 반대 방향으로 자화되어 있는 소용돌이 형상의 스핀 구조체 이며, 메모리 소자 속에서 스커미온이 존재하는 경우와 그렇지 않은 경우를 각각의 디지털 부호에 대응시켜 논리 연산을 수행하도록 설계할 수 있다.
더 나아가 스커미온을 이용한 논리 연산용 구조물 또한 연구가 진행되고 있으나, 스커미온의 생성, 소멸, 감지등을 이용하여 연산한다는 점, 스커미온의 이동 및 스커미온이 간섭하는 시점이 동기화 되어야 논리 연산이 수행 가능하다는 점 등으로 인해 비교적 제한적인 환경에서만 연산을 수행할 수 있다는 문제점이 있다.
또한 스커미온이 도파로 상에서 이동하게 되는 경우, 구동 전류를 인가하게 되면 이동중에 관찰이 쉽지 않고 제어하는 것이 쉽지 않다는 문제가 있다.
이에 스커미온의 거동을 적절히 제어하기 위한 구조와 이를 이용한 논리 연산 방법을 제공하고자 한다.
본 명세서의 실시예는 상술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로 더욱 상세하게는 스커미온을 제어하기 위한 메탈구조물 또는 방법을 제안하고자 한다.
상술한 과제를 달성하기 위한 메탈구조물은, 자성층; 및 상기 자성층에 형성되고, 볼록부를 구비하고, 상기 자성층 내의 제1 스커미온(Skyrmion)이 이동하도록 가이딩하는 헤비메탈층을 포함할 수 있다.
상기 메탈구조물은 상기 자성층 내에 있어서 DMI(interfacial Dzyaloshinskii Moriya Inter action)의 제로 경계(zero boundary)에 의해 형성될 수 있다.
상기 볼록부는, 스커미온 홀 효과가 발생하는 방향으로 볼록하고, 제2 스커미온이 배치되며, 상기 제2 스커미온이 스핀 전달 토크(Spin Transfer Torque)에 의해 이동되지 않도록 형성될 수 있다.
상기 볼록부는, 상기 제2 스커미온이 상기 제2 스커미온에 대응하는 스핀 전달 토크 및 상기 제1 스커미온 및 상기 제2 스커미온의 반발력에 의해 이동되도록 형성될 수 있다.
상술한 과제를 달성하기 위한 메탈구조물은, 자성층; 및 상기 자성층에 형성되고, 볼록부 및 오목부를 구비하고, 상기 자성층 내의 출력 스커미온(Skyrmion)이 이동하도록 가이딩하는 헤비메탈층을 포함하고, 상기 헤비메탈층은, 입력 스커미온과 출력 스커미온 사이의 반발력 및 상기 오목부에 의한 포텐셜 에너지에 기반하여, 상기 출력 스커미온의 이동을 결정하고, 상기 출력 스커미온에 기반하여 NAND 게이트를 구현할 수 있다.
상기 헤비메탈층은, 상기 볼록부에 대응하는 제1 도파로 및 상기 오목부에 대응하는 제2 도파로를 포함하고, 상기 제1 도파로의 일단에 상기 입력 스커미온이 위치하고, 상기 제2 도파로의 일단에 상기 출력 스커미온이 위치할 수 있다.
상기 메탈구조물은 상기 입력 스커미온이 1개인 경우, 상기 출력 스커미온은 상기 제2 도파로의 타단에 위치하고, 상기 입력 스커미온이 2개인 경우, 상기 출력 스커미온은 상기 제2 도파로의 타단에 위치하지 않을 수 있다.
상기 헤비메탈층은, 스커미온 및 상기 입력 스커미온의 반발력에 기반하여, 캐리 스커미온의 이동을 결정하고, 상기 캐리 스커미온 및 상기 출력 스커미온에 기반하여 가산기를 구현할 수 있다.
상기 헤비메탈층은, 상기 오목부에 대응하는 제1 도파로, 제2 도파로 및 제3 도파로를 포함할 수 있다.
상기 입력 스커미온은 상기 제1 도파로의 일단에 위치하고, 상기 출력 스커미온은 상기 제2 도파로의 일단에 위치하며, 상기 캐리 스커미온은 상기 제3 도파로의 일단에 위치할 수 있다.
상기 제1 도파로의 타단은 오목부를 구비하고, 상기 제2 도파로는 일단과 타단 사이에 오목부를 구비하며, 상기 제3 도파로는 일단과 타단 사이에 오목부를 구비할 수 있다.
상기 헤비메탈층은, 상기 입력 스커미온이 1개인 경우, 상기 출력 스커미온은 상기 제2 도파로의 타단에 위치하고, 상기 캐리 스커미온은 상기 제3 도파로의 타단에 위치하지 않으며, 상기 입력 스커미온이 2개인 경우, 상기 출력 스커미온은 상기 제2 도파로의 타단에 위치하지 않고는, 상기 캐리 스커미온은 상기 제3 도파로의 타단에 위치할 수 있다.
상술한 과제를 달성하기 위한 스커미온의 거동을 제어하는 방법은, 상기 제2 스커미온을 볼록부에 배치하는 단계; 메탈구조물에 전류를 인가하여, 상기 제1 스커미온 및 상기 제2 스커미온에 스핀 전달 토크(Spin Transfer Torque)를 가하는 단계; 상기 제1 스커미온을 이동시키는 단계; 상기 제1 스커미온과 상기 제2 스커미온 사이의 반발력에 기반하여, 상기 제2 스커미온을 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 과제를 달성하기 위한 스커미온의 거동을 제어하는 방법은, 볼록부를 가지는 제1 도파로의 일단에 입력 스커미온을 위치시키고, 오목부를 가지는 제2 도파로의 일단에서 출력 스커미온을 위치시키는 단계; 전류를 인가하는 단계; 상기 입력 스커미온과 상기 출력 스커미온 사이의 반발력 및 상기 오목부에 의한 포텐셜 에너지에 기반하여, 상기 출력 스커미온의 상기 오목부에서의 이동을 결정하는 단계; 상기 출력 스커미온이 상기 제2 도파로의 타단에 위치하는지에 기반하여, NAND 논리 연산을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 과제를 달성하기 위한 스커미온의 거동을 제어하는 방법은, 제1 도파로의 타단에 오목부를 구비하는, 상기 제1 도파로의 일단에 입력 스커미온을 위치시키고, 오목부를 가지는 제2 도파로의 일단에서 출력 스커미온을 위치시키는 단계; 전류를 인가하는 단계; 상기 입력 스커미온과 상기 출력 스커미온 사이의 반발력 및 상기 오목부에 의한 포텐셜 에너지에 기반하여, 상기 출력 스커미온의 상기 오목부에서의 이동을 결정하는 단계; 상기 출력 스커미온이 상기 제2 도파로의 타단에 위치하는지 여부에 기반하여, XOR 논리 연산을 수행하는 단계 오목부를 가지는 제3 도파로의 일단에 캐리 스커미온을 위치시키는 단계; 상기 캐리 스커미온 및 상기 입력 스커미온의 반발력에 기반하여, 상기 캐리 스커미온의 상기 오목부에서의 이동을 결정하는 단계; 및 상기 캐리 스커미온이 상기 제3 도파로의 타단에 위치하는지 여부 및 상기 출력 스커미온이 상기 제2 도파로의 타단에 위치하는지 여부 기반하여 가산 연산을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 가산 연산을 수행하는 단계는, 상기 입력 스커미온이 1개인 경우, 상기 출력 스커미온은 상기 제2 도파로의 타단에 위치하고 상기 캐리 스커미온은 상기 제3 도파로의 타단에 위치하지 않으며, 합산 값을 1로 하는 단계; 및 상기 입력 스커미온이 2개인 경우, 상기 출력 스커미온은 상기 제2 도파로의 타단에 위치하지 않고, 상기 캐리 스커미온은 상기 제3 도파로의 타단에 위치하며, 합산 값을 10으로 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면 상대적으로 간단한 구조를 이용하여 스커미온의 거동을 제어할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 스커미온의 위치를 제어할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 스커미온의 이동과 간섭을 이용하여 논리 연산을 수행할 수 있다.
도 1은 스커미온 홀 효과에 따른 스커미온의 이동을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 도파로에서의 스커미온의 이동 및 간섭을 나타내는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 도파로에서 시간의 흐름에 따른 스커미온 이동 및 간섭을 나타내는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 메탈구조물에서의, 스커미온에 관한 포텐셜 에너지를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 메탈구조물에서의 구동 전류를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 메탈구조물을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 볼록부 및 오목부를 구현하는 메탈구조물을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8a은 본 발명의 실시예에 따른 메탈구조물을 이용한 NAND 논리 게이트를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8b 내지 도 8g은 본 발명의 실시예에 따른 메탈구조물을 이용한 NAND 논리 게이트가 시간의 흐름에 따라 구동되는 동작을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9a은 본 발명의 실시예에 따른 메탈구조물을 이용한 가산기를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9b 내지 도 9g은 본 발명의 실시예에 따른 메탈구조물을 이용한 가산기가 시간의 흐름에 따라 구동되는 동작을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 제어 방법을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 NAND 논리 게이트 제어 방법을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 가산기 제어 방법을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 제어 장치의 블록 구성을 나타내는 블록도이다.
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 안밖이 서로 반대 방향으로 자화되어 있는 소용돌이 형상의 스핀 구조체로서 마그네틱 스커미온을 의미할 수 있다.
본 발명에 따른 볼록부는 스커미온이 이동되는 도파로에서, 도파로가 넓어지는 영역을 의미하고, 오목부는 스커미온이 이동되는 도파로에서, 스커미온의 도파로가 좁아지는 영역을 의미할 수 있다. 도파로의 경우 식각되어 넓어지거나 좁아질 수 있다. 또한 도파로는 Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) 작용이 발생되는 영역이 넓어지거나 좁아질 수 있다. 이에 관하여는 상세하게 후술하도록 한다.
도 1은 스커미온 홀 효과에 따른 스커미온의 이동을 개략적으로 나타내는 도면이다. 스커미온은 자성체에 전류가 흐를 때, 이동하는 전자에 의해 자성체의 자기 구조가 전자의 이동 방향으로 조금씩 움직일 수 있다. 이와 같은 현상을 스핀 전달 토크 (Spin-transfer torque, STT)라 한다.
자성체에서 STT에 의한 자기 구조의 이동 방향은 전자의 이동방향과 같다. 하지만 스커미온과 같이 위상적 특성을 가지는 경우 전자 이동 방향에 수직인 방향으로 스커미온 홀 효과라는 추가적인 힘을 받을 수 있다. 스커미온 홀 효과의 방향은 스커미온의 위상 즉 스커미온이 꼬인 방향에 의해 결정될 수 있다.
도 1을 참고하면, 전자의 이동 방향이 우측 방향이고, 스커미온 위상 즉 스커미온의 꼬임 방향은 스커미온 궤도에서 원점으로 향하는 방향인 경우로서, 스커미온 홀 효과의 방향은 전자 이동 방향에 수직으로 아래 방향일 수 있다.
이와는 반대 위상을 가지는 스커미온 예컨대 스커미온의 꼬임 방향이 스커미온 원점에서 궤도로 향하는 방향인 경우 스커미온 홀 효과의 방향은 전자 이동 방향에 수직으로 위 방향일 수 있다.
이외에도 스커미온 홀 효과에 따른 스커미온의 이동 궤적은 스커미온의 종류, 자화 방향등에 의해 다양하게 변형될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 도파로에서의 스커미온의 이동 및 간섭을 나타내는 도면으로서, 본 발명의 실시예에 따른 볼록부에 따른 스커미온의 거동 제어 또는 제한을 개략적으로 나타낸다.
도 2a를 참고하면, 제1 스커미온(21)은 도파로의 일단 제2 스커미온(23)은 볼록부에 위치시킨 뒤 전류를 인가하여 전자를 이동시킬 수 있다.
제1 스커미온(21) 및 제2 스커미온(23)이 충분히 멀다고 가정하는 경우, 제1 스커미온(21)의 움직임에 영향을 미치는 힘을 살피면, 전자의 이동에 따른 STT, 스커미온 홀 효과, 도파로 경계에 따른 반발력으로 인해 제1 스커미온(21)이 전자의 이동 방향으로 이동할 수 있다.
제2 스커미온(23)은 전자의 이동에 따른 STT 에 의해 힘을 받고, 스커미온 홀 효과의 방향이 볼록부가 형성된 방향이므로, 볼록부 도파로 반발력에 의해 제2 스커미온(23)에 가해지는 힘의 합이 0이 될 수 있다. 따라서 제2 스커미온(23)의 이동이 제한될 수 있다.
이후 도 2b를 참고하면, 제1 스커미온(21)의 이동에 따라 제1 스커미온(21) 및 제2 스커미온(23)간 간격이 스커미온 사이의 반발력을 무시할 수 없을 정도가 되는 경우를 나타낼 수 있다.
제2 스커미온(23)은 전자의 이동에 따른 STT 에 의해 힘을 받고, 스커미온 홀 효과의 방향이 볼록부가 형성된 방향이므로, 볼록부 도파로 반발력에 의해 제2 스커미온(23)에 가해지는 힘에 더하여, 제1 스커미온(21)과 제2 스커미온(23)의 반발력이 제2 스커미온(23)에 가해질 수 있다. 제2 스커미온(23)에 가해지는 힘의 합이 0 이상이 되는 경우, 제2 스커미온(23)은 볼록부를 벗어나 STT에 의해 전자 이동 방향으로 이동할 수 있다.
제1 스커미온(21)은 제2 스커미온(23)을 반발력으로 밀어내고, 볼록부에 위치할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 도파로에서 시간의 흐름에 따른 스커미온 이동 및 간섭을 나타내는 도면이다.
도 3a는 전류를 인가하고 0.42ns가 경과한 경우, 볼록부에서의 스커미온간의 간섭을 나타내고 있으며, 도 3b는 전류를 인가하고 0.54ns가 경과한 경우, 볼록부에 위치되어 있던 스커미온이 볼록부에서 벗어나 전자의 이동 방향에 따라 이동되는 현상을 나타내고 있다.
이와 같이 도파로에 볼록부를 연쇄적으로 배치하고, 스커미온 간의 반발력을 이용하게 되면, 스커미온의 거동을 연쇄적으로 제어할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 메탈구조물에서의, 스커미온에 관한 포텐셜 에너지를 나타내는 도면으로서, 도 4a 및 도 4b는 스커미온의 위치 및 움직임 제어에 관한 설명을 위함이다.
도 4a는 볼록부에 위치한 스커미온에 관한 포텐셜 에너지를 나타낸다. 볼록부에 위치한 스커미온은 볼록부에 의한 포텐셜 에너지의 영향을 받게 된다. 스커미온에 전류가 인가되는 경우 STT에 따른 힘이 스커미온에 인가되나, STT에 의한 스커미온의 에너지가 포텐셜 에너지 이상이 되지 않으면 스커미온은 볼록부에서 벗어날 수 없다.
도 4b는 오목부에 위치한 스커미온에 관한 포텐셜 에너지를 나타낸다. 오목부에 위치한 스커미온은 오목부에 의한 포텐셜 에너지의 영향을 받게 된다. 스커미온에 전류가 인가되는 경우 STT에 따른 힘이 스커미온에 인가되나, STT에 의한 스커미온의 에너지가 포텐셜 에너지 이상이 되지 않으면 스커미온은 오목부에서 벗어날 수 없다. 다만 오목부의 경우 전류가 인가되지 않는 경우, 포텐셜 에너지가 최소화 되는 방향으로 스커미온이 이동할 수 있다.
이와 같이 볼록부와 오목부에 위치한 스커미온을 포텐셜 에너지와 STT를 고려하여 제어할 경우, 스커미온의 거동을 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 메탈구조물에서의 구동 전류를 나타내는 도면이다. 스커미온에 가해지는 STT는 전류의 세기에 비례한다. 따라서 본 발명의 실시예에 따라 볼록부를 구성하는 경우, 볼록부를 이용하여 스커미온의 이동을 제어할 수 있는 구동 전류를 확인할 수 있다.
도파로의 너비인 너비 1와 볼록부의 너비인 너비 2에 기반하여, 최소 구동 전류 밀도 및 최대 구동 전류 밀도를 구하기 위해 0.1x1012 A/m2 간격으로 측정한 데이터는 하기와 같다.
[표 1]
Figure PCTKR2022017383-appb-img-000001
[표 2]
Figure PCTKR2022017383-appb-img-000002
표 1은 스커미온이 스커미온 간섭에 의해 볼록부를 탈출할 수 있는 최소 전류이고, 표 2는 스커미온이 볼록부에 위치할 수 있는 최대 전류이다. 본 발명에 따른 구동 전류는 최소 구동 전류 밀도 이상 최대 구동 전류 밀도 이하일 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 메탈구조물을 개략적으로 나타내는 도면이다.
스커미온 거동 제어를 위한 메탈구조물은 헤비메탈층(61)과 자성층(63)으로 이루어져 있다.
자성층(63)은 외부에서 강한 자기장을 걸어주었을 때 그 자기장의 방향으로 강하게 자화된 뒤 외부 자기장이 사라져도 자화가 남아있는 물질로서, 구체적으로 수직 이방성을 가지는 CoFe, CoFeB 등과 같은 합금계 자성체 또는 Co2FeSi, Co2MnSi 등과 같은 호이슬러 합금계 자성체 등이 사용될 수 있다.
이와 같은 자성층(63)은 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, 자성층(63)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.
헤비메탈층(61)으로는 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, 헤비메탈층(61)의 두께는, 예컨대 수㎚ 내지 수십㎚의 범위가 될 수 있으며, 그 선폭은, 예컨대 수십㎚ 내지 수㎛의 범위가 될 수 있다.
위와 같이 헤비메탈층(61)은 자성층에 형성되고, 볼록부 또는 오목부를 구비하고, 자성층 내의 제1 스커미온(Skyrmion)이 이동하도록 가이딩하는 도파로를 구비할 수 있다.
헤비메탈층(61)은 복수개의 도파로를 구비하도록 형성될 수 있으며, 본 발명에 따른 메탈구조물은 복수개의 도파로에 기반하여 디지털 논리 회로, 게이트 등을 구현할 수 있다.
볼록부는 스커미온 홀 효과가 발생하는 방향으로 볼록하고, 제2 스커미온이 배치될 수 있다. 볼록부는 스커미온이 이동되도록 가이딩 되는 도파로에서 너비가 넓어지는 영역으로서, 도파로 반발력 또는 포텐셜 에너지를 이용하여 스커미온의 이동을 제한할 수 있다.
볼록부는 제2 스커미온이 스핀 전달 토크(Spin Transfer Torque)에 의해 이동되지 않도록 형성될 수 있다. 또한 볼록부는 제1 스커미온과 제2 스커미온 사이의 간섭에 의한 반발력에 의해서 제2 스커미온이 볼록부에서 벗어나도록 형성될 수 있다. 이외에도 볼록부는 제1 스커미온이 제2 스커미온을 반발력에 기반하여 밀어낸 이후 제1 스커미온이 스핀 전달 토크에 의해 이동되지 않도록 형성될 수 있다. 이러한 볼록부는 도파로 상에 복수개가 배치될 수 있다.
오목부는 볼록부는 스커미온 홀 효과가 발생하는 방향으로 오목할 수 있다. 오목부는 스커미온이 이동되도록 가이딩 되는 도파로에서 너비가 좁아지는 영역으로서, 도파로 반발력 또는 포텐셜 에너지를 이용하여 스커미온의 이동을 제한할 수 있다.
이러한 오목부는 오목부에 배치된 스커미온이 스핀 전달 토크(Spin Transfer Torque)에 의해 이동되지 않도록 형성될 수 있다. 또한 오목부는 스커미온 사이의 간섭에 의한 반발력에 의해서 오목부에서 벗어나도록 형성될 수 있다. 이러한 오목부는 도파로 상에 복수개가 배치될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 볼록부 및 오목부를 구현하는 메탈구조물을 개략적으로 나타내는 도면이다.
전술한바와 같이 도파로의 경우 식각되어 넓어지거나 좁아질 수 있다. 하지만 식각을 통해 도파로를 형성하기 위해서는 첫 번째 층으로 헤비메탈층, 두 번째 층으로 원자 하나 두께의 자성층, 세 번째 층으로 양단으로 갈라진 자성층을 쌓는 공정을 진행해야만 하며 이러한 구조는 집적도를 높이는데 제약이 있을 수 있다.
스커미온은 Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) 작용이 발생하는 영역에서만 이동 가능하므로 DMI 가 형성되는 영역이 도파로 역할을 할 수 있다.
제1 메탈구조물(71) 및 제2 메탈구조물(73)을 살피면 자성층과 이 자성층의 선폭보다 상대적으로 작은 선폭을 가지면서 자성층의 일면에 길이 방향을 따라 형성되는 헤비메탈층을 포함할 수 있다.
자성층의 하부면에 헤비메탈층만을 형성함으로써, 스커미온을 가이딩, 즉 자성층과 헤비메탈층이 자기장 속에 놓인 상태에서, 자성층 내의 스커미온이 길이 방향을 따라 이동(출입)하도록 가이딩할 수 있다.
자성층 내에 있어서 DMI 제로 경계(zero boundary)에 의해 형성되는 위치 에너지 장벽 (potential barrier)을 통해 스커미온을 가이딩할 수 있다. 다시말해 헤비메탈층의 바로 위 영역에 있는 자성층 내에 서만 그 길이 방향을 따라 스커미온이 이동하도록 가이딩할 수 있다.
제3 메탈구조물(75) 및 제4 메탈구조물(77)은 제1 헤비메탈층, 제1 헤비메탈층 상에 형성 되는 자성층, 자성층 상에 형성되는 제2 헤비메탈층을 포함할 수 있다.
제2 헤비메탈층은, 제2 헤비메탈층과 자성층이 접합되어 있지 않는 제1 영역(A)과, 제2 헤비메탈층과 자성층이 접합되어 있는 제2 영역(B)을 포함하며, 자성층 상의 제1 영역(A) 에는 DMI 제로 경계에 의해 스커미온이 형성될 수 있다.
이와 같이 DMI 제로 경계를 이용하면, 보다 용이하게 볼록부 및 오목부를 포함하는 도파로를 구비하는 메탈구조물을 형성할 수 있다.
도 8a은 본 발명의 실시예에 따른 메탈구조물을 이용한 NAND 논리 게이트를 개략적으로 나타내는 도면이다.
스커미온을 이용한 도파로 상에서의 볼록부는 AND 논리 게이트로, 오목부는 NOT 논리 게이트로 이용될 수 있다.
위와 같은 AND 게이트와 NOT 게이트를 이용하여 제1 도파로(801)상의 일단에 입력 스커미온(811a, 811b)을 배치하고, 제2 도파로(803)상의 일단에 출력 스커미온(813)을 배치한 뒤, 전류를 인가하면 NAND 연산을 수행할 수 있다.
구체적으로 헤비메탈층은 입력 스커미온과 출력 스커미온 사이의 반발력 및 오목부에 의한 포텐셜 에너지에 기반하여, 출력 스커미온의 이동을 결정하도록 형성될 수 있다.
이하에서는 메탈구조물을 이용한 NAND 게이트의 동작에 관하여 설명하도록 한다. 도 8b 내지 도 8g은 본 발명의 실시예에 따른 메탈구조물을 이용한 NAND 논리 게이트가 시간의 흐름에 따라 구동되는 동작을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8b를 살피면 제1 도파로(801)상의 일단에 입력 스커미온(811) 하나를 배치하고, 제2 도파로(803)상의 일단에 출력 스커미온(813)을 배치한 것을 나타낼 수 있다. 제1 도파로(801)상에 입력 스커미온(811)이 1개이므로 입력은 (1,0)을 의미할 수 있다. 구동 전류를 인가하면, 도 8c와 같이 입력 스커미온(811)은 볼록부까지 이동하고, 출력 스커미온(813)은 오목부까지 이동할 수 있다. 지속적으로 구동 전류를 인가하는 경우, 도 8d와 같이 출력 스커미온(813)은 입력 스커미온(811)과의 반발력이 충분히 강하지 않아 오목부에서 벗어나 제2 도파로(803)상의 타단에 위치할 수 있다. 이때 제2 도파로(803)상의 타단에 출력 스커미온(813)이 도달하였으므로 출력은 1을 의미할 수 있다.
도 8e를 살피면 제1 도파로(801)상의 일단에 제1 입력 스커미온(811a), 제2 입력 스커미온(811b)를 배치하고, 제2 도파로(803)상의 일단에 출력 스커미온(813)을 배치한 것을 나타낼 수 있다. 제1 도파로(801)상에 제1 입력 스커미온(811a), 제2 입력 스커미온(811b)를 배치하였으므로 입력은 (1,1)을 의미할 수 있다. 구동 전류를 인가하면 도 8f와 같이 제1 입력 스커미온(811a)은 볼록부까지 이동하고 제2 입력 스커미온(811b)은 출력 스커미온(813)에 간섭할 수 있는 제1 도파로(801)상의 타단까지 이동할 수 있다. 출력 스커미온(813)은 오목부까지 이동할 수 있다. 지속적으로 구동 전류를 인가하는 경우 도 8g와 같이 출력 스커미온(813)은 제2 입력 스커미온(811b)의 반발력에 의해 오목부에서 벗어나지 못할 수 있다. 제2 도파로(803)상의 타단에 출력 스커미온(813)이 도달하지 못하였으므로 출력은 0을 의미할 수 있다.
이를 논리회로 진리표로 나타내면 하기의 표 3과 같이 나타낼 수 있다.
[표 3]
Figure PCTKR2022017383-appb-img-000003
표 3의 입력 출력에 따르면, NAND 게이트의 진리표인 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 메탈구조물을 이용한 NAND 논리 연산을 수행할 수 있다.
도 9a는 본 발명의 실시예에 따른 메탈구조물을 이용한 가산기를 개략적으로 나타내는 도면이다.
전술한바와 같이 메탈구조물을 이용하여 NAND 논리 연산을 수행하였는바, 이에 더 나아가 XOR 논리 연산과 AND 논리 연산을 이용하여 가산기 또는 반가산기(Half Adder)를 구현할 수도 있다.
제1 도파로(901)상의 일단에 입력 스커미온(911a, 911b)을 배치하고, 제2 도파로(903)상의 일단에 출력 스커미온(913) 또는 합 스커미온을 배치한 뒤, 전류를 인가하면 XOR 연산을 수행할 수 있다. 이에 제3 도파로(905)상의 일단에 캐리 스커미온(915)을 더 배치하는 방식으로 가산기를 구현할 수 있다. 이때 제1 도파로(901)상의 타단은 오목부를 구비하며, 제2 도파로(903) 및 제3 도파로(905)는 도파로 상에 오목부를 구비할 수 있다.
구체적으로 헤비메탈층은 입력 스커미온(911a, 911b)과 출력 스커미온(913)의 반발력 및 오목부에 의한 포텐셜 에너지에 기반하여, 출력 스커미온의 이동을 결정하고, 캐리 스커미온(915) 및 출력 스커미온(913)의 반발력에 기반하여, 캐리 스커미온(915)의 이동을 결정하고, 캐리 스커미온(915) 및 출력 스커미온(913)에 기반하여 가산기를 구현할 수 있다.
이하에서는 메탈구조물을 이용한 가산기의 동작에 관하여 설명하도록 한다. 도 9b 내지 도 9g은 본 발명의 실시예에 따른 메탈구조물을 이용한 가산기가 시간의 흐름에 따라 구동되는 동작을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9b를 살피면 제1 도파로(901)상의 일단에 입력 스커미온(911) 하나를 배치하고, 제2 도파로(903)상의 일단에 출력 스커미온(913), 제3 도파로(905)상의 일단에 캐리 스커미온(915)을 배치한 것을 나타낼 수 있다. 제1 도파로(901)상에 입력 스커미온(911)이 1개이므로 입력은 (1,0)을 의미할 수 있다. 구동 전류를 인가하면, 도 9c와 같이 입력 스커미온(911)은 오목부의 전단까지 이동하고, 출력 스커미온(913)은 오목부까지 이동할 수 있다. 지속적으로 구동 전류를 인가하는 경우, 도 9d와 같이 출력 스커미온(913)은 입력 스커미온(911)과의 반발력이 충분히 강하지 않아 오목부에서 벗어나 제2 도파로(903)상의 타단에 위치할 수 있다. 캐리 스커미온(915)의 경우, 제3 도파로(905)상의 오목부 포텐셜 에너지에 의해 오목부를 벗어나지 못한다. 결과적으로 제2 도파로(903)상의 타단에 출력 스커미온(913)이 도달하였고, 제3 도파로(905)상의 타단에 캐리 스커미온(915)이 도달하지 못하였으므로 출력은 (1,0)을 의미할 수 있다.
도 9e를 살피면 제1 도파로(901)상의 일단에 제1 입력 스커미온(911a), 제2 입력 스커미온(911b)를 배치하고, 제2 도파로(903)상의 일단에 출력 스커미온(913), 제3 도파로(905)상의 일단에 캐리 스커미온(915)을 배치한 것을 나타낼 수 있다. 제1 도파로(901)상에 제1 입력 스커미온(911a), 제2 입력 스커미온(911b)를 배치하였으므로 입력은 (1,1)을 의미할 수 있다. 구동 전류를 인가하면 도 9f와 같이 제1 입력 스커미온(911a)은 오목부의 전단까지 이동하고 제2 입력 스커미온(911b)은 출력 스커미온(913) 및 캐리 스커미온(915)에 간섭할 수 있는 제1 도파로(901)상의 타단까지 이동할 수 있다. 출력 스커미온(913)은 오목부까지 이동할 수 있다. 지속적으로 구동 전류를 인가하는 경우 도 9g와 같이 출력 스커미온(913)은 제2 입력 스커미온(911b)의 반발력에 의해 오목부에서 벗어나지 못할 수 있다. 제3 도파로(905)상의 일단에 캐리 스커미온(915)은 제2 입력 스커미온(911b) 과의 반발력에 의해 오목부에서 벗어날 수 있다. 이러한 캐리 스커미온(915)은 제3 도파로(905)상의 타단에 위치할 수 있다.
제2 도파로(903)상의 타단에 출력 스커미온(913)이 도달하지 못하였고, 캐리 스커미온(915)은 제3 도파로(905)상의 타단에 도달하였으므로 출력은 (0,1)을 의미할 수 있다.
이를 논리회로 진리표로 나타내면 하기의 표 4과 같이 나타낼 수 있다.
[표 4]
Figure PCTKR2022017383-appb-img-000004
표 4의 입력 출력에 따르면, 반가산기의 진리표인 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 메탈구조물을 이용한 반가산기 연산을 수행할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 제어 방법을 나타내는 도면이다.
도 10을 참고하면, 스커미온 제어 장치는 S1001 단계에서, 제1 스커미온을 도파로의 일단에, 제2 스커미온을 볼록부에 배치할 수 있다.
스커미온 제어 장치는 S1003 단계에서, 메탈구조물에 구동 전류를 인가하여, 제1 스커미온 및 제2 스커미온에 스핀 전달 토크(Spin Transfer Torque)를 인가할 수 있다.
스커미온 제어 장치는 S1005 단계에서, STT에 기반하여 제1 스커미온을 이동시킬 수 있다. 또한 스커미온 제어 장치는 메탈구조물에서의 볼록부를 이용하여 제2 스커미온의 이동을 제한할 수 있다.
스커미온 제어 장치는 S1007 단계에서, 제1 스커미온과 제2 스커미온 사이의 반발력 및 STT에 기반하여, 제2 스커미온을 이동시킬 수 있다.
스커미온 제어 장치는 이와 같은 방법으로 볼록부에 위치한 스커미온을 연쇄적으로 이동시킬 수 있다. 또한 오목부에 관하여도 동일한 방법으로 적용될 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 NAND 논리 게이트 제어 방법을 나타내는 도면이다.
스커미온 제어 장치는 S1101 단계에서, 볼록부를 가지는 제1 도파로의 일단에 입력 스커미온을 위치시키고, 오목부를 가지는 제2 도파로의 일단에서 출력 스커미온을 위치시킬 수 있다.
스커미온 제어 장치는 S1103 단계에서, STT에 기반하여 입력 스커미온을 이동시킬 수 있다. 또한 스커미온 제어 장치는 메탈구조물에서의 오목부를 이용하여 출력 스커미온의 이동을 제한할 수 있다.
스커미온 제어 장치는 S1105 단계에서, 입력 스커미온과 출력 스커미온 사이의 반발력 및 오목부에 의한 포텐셜 에너지에 기반하여, 출력 스커미온의 오목부에서의 이동을 결정할 수 있다.
스커미온 제어 장치는 S1107 단계에서, NAND 논리 연산을 수행할 수 있다. 예컨대 출력 스커미온이 제2 도파로의 타단에 위치하는지에 기반하여, NAND 논리 연산을 수행할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 가산기 제어 방법을 나타내는 도면이다.
스커미온 제어 장치는 S1201 단계에서, 타단에 오목부를 구비하는 제1 도파로의 일단에 입력 스커미온을 위치시키고, 오목부를 가지는 제2 도파로의 일단에서 출력 스커미온을, 오목부를 가지는 제3 도파로의 일단에서 캐리 스커미온을 위치시킬 수 있다.
스커미온 제어 장치는 S1203 단계에서, STT에 기반하여 입력 스커미온을 이동시킬 수 있다. 또한 스커미온 제어 장치는 메탈구조물에서의 오목부를 이용하여 출력 스커미온 및 캐리 스커미온의 이동을 제한할 수 있다.
스커미온 제어 장치는 S1205 단계에서, 입력 스커미온과 출력 스커미온 사이의 반발력 및 오목부에 의한 포텐셜 에너지에 기반하여, 출력 스커미온의 오목부에서의 이동을 결정할 수 있다.
스커미온 제어 장치는 S1207 단계에서, 캐리 스커미온 및 입력 스커미온의 반발력에 기반하여, 캐리 스커미온의 오목부에서의 이동을 결정할 수 있다.
스커미온 제어 장치는 S1209 단계에서, 상기 캐리 스커미온이 상기 제3 도파로의 타단에 위치하는지 및 상기 출력 스커미온이 상기 제2 도파로의 타단에 위치하는지에 기반하여 가산 연산을 수행할 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 제어 장치의 블록 구성을 나타내는 블록도이다. 스커미온 제어 장치(1300)는 제어부(1310), 전류 인가부(1320) 및 메탈구조물(1330)을 포함하는 것으로 도시하였으나 반드시 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면 제어부(1310), 전류 인가부(1320) 및 메탈구조물(1330)는 물리적으로 독립한 구성일 수 있다.
제어부(1310)는 스커미온 제어 장치(1300)를 전반적으로 제어하기 위한 구성일 수 있다. 구체적으로 제어부(1310)는 CPU, 램(RAM), 롬(ROM), 시스템 버스 등을 포함할 수 있다. 제어부(1310)는 단일 CPU 또는 복수의 CPU(또는 DSP, SoC)로 구현될 수 있다. 일 실시예로, 제어부(1310)는 디지털 신호를 처리하는 디지털 시그널 프로세서(digital signal processor(DSP), 마이크로프로세서(microprocessor), TCON(Time controller)으로 구현될 수 있다.
예를들면 제어부(1310)는 제2 스커미온을 볼록부에 배치하고, 메탈구조물에 전류를 인가하여, 제1 스커미온 및 제2 스커미온에 스핀 전달 토크(Spin Transfer Torque)를 가하며. 제1 스커미온을 이동시키고, 제1 스커미온과 제2 스커미온 사이의 반발력에 기반하여, 제2 스커미온을 이동시킬 수 있다.
전류 인가부(1320)는 메탈구조물에 스커미온이 이동하기 위한 구동 전류를 인가할 수 있다.
메탈구조물(1330)은 헤비메탈층과 자성층을 포함할 수 있으며, 헤비메탈층은 자성층 상단 또는 하단에 형성되고, 볼록부 또는 오목부를 구비하고, 자성층 내의 스커미온이 이동하도록 가이딩하는 도파로를 구비할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 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 실시예 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. 자성층; 및
    상기 자성층 상단 또는 하단에 형성되고, 볼록부를 구비하고, 상기 자성층 내의 제1 스커미온(Skyrmion)이 이동하도록 가이딩하는 헤비메탈층을 포함하는 메탈구조물.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 볼록부는, 스커미온 홀 효과가 발생하는 방향으로 볼록하고, 제2 스커미온이 배치되는 메탈구조물.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 볼록부는, 상기 제2 스커미온이 상기 제2 스커미온에 대응하는 스핀 전달 토크(Spin Transfer Torque)에 의해 이동되지 않도록 형성된 메탈구조물.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 볼록부는, 상기 제2 스커미온이 상기 제2 스커미온에 대응하는 스핀 전달 토크 및 상기 제1 스커미온 및 상기 제2 스커미온의 반발력에 의해 이동되도록 형성된 메탈구조물.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 자성층 내에 있어서 DMI(interfacial Dzyaloshinskii Moriya Inter action)의 제로 경계(zero boundary)에 의해 형성되는 메탈구조물.
  6. 자성층; 및
    상기 자성층에 형성되고, 볼록부 및 오목부를 구비하고, 상기 자성층 내의 출력 스커미온(Skyrmion)이 이동하도록 가이딩하는 헤비메탈층을 포함하고,
    상기 헤비메탈층은,
    입력 스커미온과 출력 스커미온 사이의 반발력 및 상기 오목부에 의한 포텐셜 에너지에 기반하여, 상기 출력 스커미온의 이동을 결정하고, 상기 출력 스커미온에 기반하여 NAND 게이트를 구현하는 메탈구조물.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 헤비메탈층은, 상기 볼록부에 대응하는 제1 도파로 및 상기 오목부에 대응하는 제2 도파로를 포함하고,
    상기 제1 도파로의 일단에 상기 입력 스커미온이 위치하고, 상기 제2 도파로의 일단에 상기 출력 스커미온이 위치하는, 메탈구조물.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 입력 스커미온이 1개인 경우, 상기 출력 스커미온은 상기 제2 도파로의 타단에 위치하고,
    상기 입력 스커미온이 2개인 경우, 상기 출력 스커미온은 상기 제2 도파로의 타단에 위치하지 않는, 메탈구조물.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 헤비메탈층은,
    캐리 스커미온 및 상기 입력 스커미온의 반발력에 기반하여, 캐리 스커미온의 이동을 결정하고, 상기 캐리 스커미온 및 상기 출력 스커미온에 기반하여 가산기를 구현하는 메탈구조물.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 헤비메탈층은, 상기 오목부에 대응하는 제1 도파로, 제2 도파로 및 제3 도파로를 포함하고,
    상기 입력 스커미온은 상기 제1 도파로의 일단에 위치하고, 상기 출력 스커미온은 상기 제2 도파로의 일단에 위치하며, 상기 캐리 스커미온은 상기 제3 도파로의 일단에 위치하고,
    상기 제1 도파로의 타단은 오목부를 구비하고, 상기 제2 도파로는 일단과 타단 사이에 오목부를 구비하며, 상기 제3 도파로는 일단과 타단 사이에 오목부를 구비하는, 메탈구조물.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 입력 스커미온이 1개인 경우, 상기 출력 스커미온은 상기 제2 도파로의 타단에 위치하고 상기 캐리 스커미온은 상기 제3 도파로의 타단에 위치하지 않으며,
    상기 입력 스커미온이 2개인 경우, 상기 출력 스커미온은 상기 제2 도파로의 타단에 위치하지 않고, 상기 캐리 스커미온은 상기 제3 도파로의 타단에 위치하는, 메탈구조물.
  12. 메탈구조물을 이용하여, 제1 스커미온 및 제2 스커미온의 거동을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 제2 스커미온을 볼록부에 배치하는 단계;
    메탈구조물에 전류를 인가하여, 상기 제1 스커미온 및 상기 제2 스커미온에 스핀 전달 토크(Spin Transfer Torque)를 가하는 단계;
    상기 제1 스커미온을 이동시키는 단계;
    상기 제1 스커미온과 상기 제2 스커미온 사이의 반발력에 기반하여, 상기 제2 스커미온을 이동시키는 단계를 포함하는 방법.
  13. 메탈구조물을 이용하여, 스커미온의 거동을 제어하는 방법에 있어서,
    볼록부를 가지는 제1 도파로의 일단에 입력 스커미온을 위치시키고, 오목부를 가지는 제2 도파로의 일단에서 출력 스커미온을 위치시키는 단계;
    전류를 인가하는 단계;
    상기 입력 스커미온과 상기 출력 스커미온 사이의 반발력 및 상기 오목부에 의한 포텐셜 에너지에 기반하여, 상기 출력 스커미온의 상기 오목부에서의 이동을 결정하는 단계;
    상기 출력 스커미온이 상기 제2 도파로의 타단에 위치하는지 여부에 기반하여, NAND 논리 연산을 수행하는 단계를 포함하는 방법.
  14. 메탈구조물을 이용하여, 스커미온의 거동을 제어하는 방법에 있어서,
    제1 도파로의 타단에 오목부를 구비하는, 상기 제1 도파로의 일단에 입력 스커미온을 위치시키고, 오목부를 가지는 제2 도파로의 일단에서 출력 스커미온을 위치시키는 단계;
    전류를 인가하는 단계;
    상기 입력 스커미온과 상기 출력 스커미온 사이의 반발력 및 상기 오목부에 의한 포텐셜 에너지에 기반하여, 상기 출력 스커미온의 상기 오목부에서의 이동을 결정하는 단계;
    상기 출력 스커미온이 상기 제2 도파로의 타단에 위치하는지 여부에 기반하여, XOR 논리 연산을 수행하는 단계
    오목부를 가지는 제3 도파로의 일단에 캐리 스커미온을 위치시키는 단계;
    상기 캐리 스커미온 및 상기 입력 스커미온의 반발력에 기반하여, 상기 캐리 스커미온의 상기 오목부에서의 이동을 결정하는 단계; 및
    상기 캐리 스커미온이 상기 제3 도파로의 타단에 위치하는지 여부 및 상기 출력 스커미온이 상기 제2 도파로의 타단에 위치하는지 여부 기반하여 가산 연산을 수행하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 가산 연산을 수행하는 단계는,
    상기 입력 스커미온이 1개인 경우, 상기 출력 스커미온은 상기 제2 도파로의 타단에 위치하고 상기 캐리 스커미온은 상기 제3 도파로의 타단에 위치하지 않으며, 합산 값을 1로 하는 단계; 및
    상기 입력 스커미온이 2개인 경우, 상기 출력 스커미온은 상기 제2 도파로의 타단에 위치하지 않고, 상기 캐리 스커미온은 상기 제3 도파로의 타단에 위치하며, 합산 값을 10으로 하는 단계를 포함하는 메탈구조물.
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