一種自旋波定向傳輸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于磁性材料信號(hào)傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種磁性絕緣材料中自旋波的 定向傳輸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，用于在磁性絕緣材料中長(zhǎng)程單向傳輸自旋波。
【背景技術(shù)】
[0002] 自旋波是指在磁性材料中磁性的激發(fā)態(tài)，它廣泛存在于所有磁性材料中。在磁性 絕緣材料中，由于沒有導(dǎo)電電子，自旋波成為一種新型的傳輸信息的載體。它易激發(fā)，易檢 巧。，信息存貶密度大，功耗小，易禪合，與現(xiàn)有工業(yè)技術(shù)整合性好，是繼現(xiàn)代W電子，光為信 息載體的下一代信息技術(shù)的理想信息載體。
[0003] 磁性材料中信號(hào)的傳輸是基于磁性材料的信息處理系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，是連接信號(hào) 發(fā)射端和檢測(cè)端的中樞，在基于磁性材料的器件和系統(tǒng)研制中具有極為重要的應(yīng)用。在磁 性材料構(gòu)成的器件和系統(tǒng)中，自旋波的發(fā)射端和檢測(cè)端是分離的，器件的工作效率直接決 定于自旋波在磁性絕緣材料中傳輸?shù)男?。在發(fā)射端激發(fā)的自旋波，除去滿足工作要求的 自旋波，同時(shí)有許多額外的不需要的，不利于器件正常工作的自旋波成分，該些成分必須在 傳輸過程中去除。發(fā)射端和檢測(cè)端通常位于固定的位置，為了有效地發(fā)射和檢測(cè)，自旋波在 傳輸過程中必須進(jìn)行有效的導(dǎo)向。該些自旋波傳輸過程中的高效性，選擇性，定向性對(duì)于磁 性材料中的傳輸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了很高的要求，現(xiàn)有的自旋波的傳輸結(jié)構(gòu)難W滿足該一要 求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種效率高的自旋波定向傳輸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，用于在磁性材料 中長(zhǎng)程定向傳輸自旋波。
[000引本發(fā)明所提供的自旋波定向傳輸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，是在具有DMKDzyalosMnskii-MoriyaInte raction,化yaloshinskii-Moriya相互作用）效應(yīng)的鐵磁絕緣材料的二維薄膜上構(gòu)造的 磁結(jié)構(gòu)；該磁結(jié)構(gòu)由若干塊指向自旋波傳輸方向的磁疇和在磁疇之間形成的特定結(jié)構(gòu)的磁 疇壁構(gòu)成；相鄰磁疇之間磁化方向相反；其中，通過全反射方式來傳輸自旋波，通過外加電 場(chǎng)改變自旋波發(fā)生全反射所需的入射角度范圍的方式來改變自旋波傳輸方向。
[0006] 本發(fā)明中，所述通過全反射方式來傳輸自旋波，是指利用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中存在的全反 射現(xiàn)象傳輸自旋波；所述全反射現(xiàn)象是指；在某個(gè)磁疇里W-定能量傳輸?shù)淖孕╓某個(gè) 范圍內(nèi)的角度入射到磁疇壁時(shí)，由于該自旋波在該磁疇壁另一邊的磁疇中所要求的自旋波 能量高于該入射自旋波的能量，入射的自旋波無法穿越磁疇壁，只能被全部反射回來的現(xiàn) 象。
[0007] 本發(fā)明中，所述改變自旋波傳輸方向是指；通過外加電場(chǎng)改變磁性材料中Dffl的 相關(guān)參數(shù)符號(hào)，改變自旋波發(fā)生全反射所需的入射角度范圍，進(jìn)而改變自旋波傳輸方向。
[0008] 本發(fā)明中，所述若干塊磁疇，一般是3塊，或者是4塊，等等；當(dāng)磁疇為4塊時(shí)，構(gòu)成 雙通道-單向自旋波傳輸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
[0009] 本發(fā)明中，當(dāng)DMI效應(yīng)為體DMI效應(yīng)（Bu化DMI)時(shí)，磁疇壁的種類為布洛赫壁 (BlochWall);當(dāng)DMI效應(yīng)為界面DMI效應(yīng)時(shí)（InterfacialDMI)，磁疇壁的種類為奈爾壁 (NeelWall)。
[0010] 相對(duì)于傳統(tǒng)的自旋波傳輸結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的自旋波傳輸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)充分利用了磁性材 料中的Dffl效應(yīng)。利用Dffl的非對(duì)稱特性，構(gòu)造了所述磁結(jié)構(gòu)中自旋波的全反射行為，并利 用該全反射行為實(shí)現(xiàn)了自旋波的單向傳輸。該自旋波的全反射行為類比于光在光纖中的全 反射行為，而該自旋波波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是光纖結(jié)構(gòu)在磁性材料和磁性體系里的拓展。同時(shí)，利用該 結(jié)構(gòu)中全反射行為的方向選擇性，本自旋波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了自旋波的單向傳輸特性。該單向 選擇性賦予了本發(fā)明中所述自旋波波導(dǎo)結(jié)構(gòu)比光纖結(jié)構(gòu)更優(yōu)秀和豐富的傳輸特性。
[0011] 與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下有益的技術(shù)效果： (1)與傳統(tǒng)的自旋波傳輸結(jié)構(gòu)不同，本發(fā)明中的自旋波波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有自旋波傳輸?shù)膯?向選擇特性。
[0012] (2)本發(fā)明中傳輸自旋波的方式是全反射方式，對(duì)于不符合全反射要求的自旋波 全部濾除，對(duì)于符合全反射要求的自旋波可做到完美傳輸，在篩選自旋波的同時(shí)，為自旋波 的長(zhǎng)程傳輸提供了保證。
[0013] (3)本發(fā)明基于磁性材料的二維結(jié)構(gòu)，而非普通自旋波傳輸結(jié)構(gòu)中的一維結(jié)構(gòu)，有 效的拓展了自旋波在更多維度上的可能性。
[0014] (4)本發(fā)明基于同一磁性材料上的磁疇形成的磁疇壁結(jié)構(gòu)，而非不同磁性材料之 間形成的磁性異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，有利于自旋波器件的構(gòu)造。
[0015] (5)本發(fā)明中自旋波的傳輸方向可W通過外加電場(chǎng)的方式改變，而無需改變具體 的磁結(jié)構(gòu)，具有操作方便，并易于與現(xiàn)有電子工業(yè)技術(shù)結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)。
[0016] 本發(fā)明結(jié)構(gòu)的功能類似于公知的光波導(dǎo)纖維，主要區(qū)別是該結(jié)構(gòu)W磁性絕緣材料 為媒介，自旋波為能量和信息的載體。該自旋波定向傳輸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可根據(jù)要求單向或雙向 傳輸自旋波，傳輸效率高，衰減小，易于集成與擴(kuò)展，易于與現(xiàn)有電子巧片技術(shù)相結(jié)合。
[0017] 本發(fā)明中的單向自旋波傳輸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)易于擴(kuò)展為雙通道W至于多通道式波導(dǎo)結(jié) 構(gòu)，各相鄰?fù)ǖ雷孕▊鬏敺较虿煌欢畔⒒ゲ桓蓴_，充分保證了信息傳輸?shù)乃矫苄院?高效性。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明的自旋波的單向傳輸波導(dǎo)的一種結(jié)構(gòu)。
[0019]圖2是本發(fā)明的自旋波的單向傳輸波導(dǎo)的另一種結(jié)構(gòu)。
[0020] 圖3是本發(fā)明中在指定其中一種磁疇壁左右兩邊磁疇內(nèi)磁方向時(shí)磁疇壁內(nèi)部的 磁方向分布示意圖。
[0021] 圖4是本發(fā)明的在指定其中另一種磁疇壁左右兩邊磁疇內(nèi)磁方向時(shí)磁疇壁內(nèi)部 的磁方向分布示意圖。
[0022] 圖5是本發(fā)明中一個(gè)典型的自旋波在入射到磁疇壁時(shí)的全反射現(xiàn)象的仿真圖。
[0023] 圖6是本發(fā)明中在一個(gè)典型頻率下自旋波在磁疇壁處發(fā)生全反射現(xiàn)象的原理圖。
[0024]圖7是本發(fā)明中在另一個(gè)典型頻率下自旋波在磁疇壁處發(fā)生全反射現(xiàn)象的原理 圖。
[0025]圖8是本發(fā)明中全發(fā)射現(xiàn)象特征角隨著自旋波頻率變化的仿真計(jì)算圖。
[0026]圖9是本發(fā)明中全反射現(xiàn)象特征角隨著Dffl特征參數(shù)變化的仿真計(jì)算圖。
[0027] 圖10是本發(fā)明中自旋波的單向傳輸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的推廣情況下的一個(gè)典型的雙通道 單向自旋波波導(dǎo)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[002引下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于此。
[0029] 本發(fā)明中的一種自旋波的單向傳輸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，由具有Dffl效應(yīng)的磁性材料的二維 薄膜構(gòu)成。如圖1，2所示，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括S個(gè)相鄰的磁疇區(qū)域，其中中間磁疇的磁指向， 與左右兩邊的磁疇的磁指向正好相反，因此中間磁疇與左右兩邊的磁疇各形成一個(gè)磁疇 壁。=個(gè)磁疇中的磁指向與兩個(gè)磁疇壁形成的方向保持平行。左右兩邊磁疇壁內(nèi)部的磁指 向的分布分別如圖3,圖4所示。
[0030] 在Dffl效應(yīng)下，在中間磁疇內(nèi)傳輸?shù)淖孕ㄔ赪圖下方黑色扇形內(nèi)的入射方向入 射到左邊或右邊磁疇壁結(jié)構(gòu)上時(shí)，會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象而被完美反射。由于左右磁疇和磁疇 壁結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，該些被左邊(右邊）磁疇壁反射的自旋波會(huì)再次W-個(gè)對(duì)稱的入射角度入 射到右邊(左邊）的磁疇壁上，再次由于發(fā)生全反射現(xiàn)象而被完美反射。該些W特定角度范 圍入射范圍內(nèi)入射的自旋波在中間磁疇中傳輸?shù)倪^程中，將不斷受到左邊和右邊磁疇壁的 全反射而不斷向前傳播。由于自旋波在全反射過程是完美反射，不損失任何能量，因此該些 自旋波將無衰減的沿著左右磁疇壁規(guī)定的方向傳輸。該部分自旋波的傳輸W實(shí)線折線的形 式表不。
[0031] 與此對(duì)比，當(dāng)自旋波沿著黑色扇形W外的入射角度入射到磁疇壁上時(shí)，發(fā)生的反 射不是全反射，因此將損失部分能量。當(dāng)被左邊(右邊）磁疇壁反射的自旋波再次反射到右 邊(左邊）的磁疇壁上時(shí)，由于入射角度左右對(duì)稱，自旋波的反射同樣不是全反射，因此會(huì)再 次衰減。該些角度入射的自旋波在傳輸過程中不斷衰減，并最終消失。該部分自旋波的傳 輸W虛線的形式表示。
[0032] 對(duì)比該兩部分自旋波的傳輸過程，可W看出只有黑色扇形區(qū)域內(nèi)的自旋波會(huì)最終 被波導(dǎo)傳輸，并保持其初始能量和幅度。本發(fā)明中的自旋波波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與光纖結(jié)構(gòu)具有很好 的類比性。進(jìn)一步的，在本自旋波波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，自旋波的完美傳輸只發(fā)生在沿著磁疇壁的其 中一個(gè)方向，表現(xiàn)出良好的單向選擇性，和光纖結(jié)構(gòu)中光可沿著光纖壁的兩個(gè)方向傳輸不 同。
[0033] 在帶有DMI效應(yīng)的的磁性材料中，磁的動(dòng)力學(xué)方程由LLG(Landau-Lishitz-Gi化e rt)方程描述：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種自旋波定向傳輸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于是在具有DMI效應(yīng)的鐵磁絕緣材料的 二維薄膜上構(gòu)造的磁結(jié)構(gòu)；該磁結(jié)構(gòu)由若干塊指向自旋波傳輸方向的磁疇和在磁疇之間形 成的特定結(jié)構(gòu)的磁疇壁構(gòu)成；相鄰磁疇之間磁化方向相反；其中，通過全反射方式來傳輸 自旋波，通過外加電場(chǎng)改變自旋波發(fā)生全反射所需的入射角度范圍的方式來改變自旋波傳 輸方向； 其中，所述通過全反射方式來傳輸自旋波，是指利用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中存在的全反射現(xiàn)象傳 輸自旋波；所述全反射現(xiàn)象是指：在某個(gè)磁疇里以一定能量傳輸?shù)淖孕ㄒ阅硞€(gè)范圍內(nèi)的 角度入射到磁疇壁時(shí)，由于該自旋波在該磁疇壁另一邊的磁疇中所要求的自旋波能量高于 該入射自旋波的能量，入射的自旋波無法穿越磁疇壁，只能被全部反射回來的現(xiàn)象； 所述改變自旋波傳輸方向是指：通過外加電場(chǎng)改變磁性材料中DMI的相關(guān)參數(shù)符號(hào)， 改變自旋波發(fā)生全反射所需的入射角度范圍，進(jìn)而改變自旋波傳輸方向。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋波定向傳輸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述磁疇塊數(shù)為3 塊，或4塊；當(dāng)磁疇為4塊時(shí)，構(gòu)成雙通道-單向自旋波傳輸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋波定向傳輸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于當(dāng)DMI效應(yīng)為體DMI 效應(yīng)時(shí)，磁疇壁的種類為布洛赫壁；當(dāng)DMI效應(yīng)為界面DMI效應(yīng)時(shí)，磁疇壁的種類為奈爾 壁。
【專利摘要】本發(fā)明屬于磁性材料信號(hào)傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種自旋波定向傳輸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是在具有DMI效應(yīng)的鐵磁絕緣材料的二維薄膜上構(gòu)造的磁結(jié)構(gòu)；該磁結(jié)構(gòu)由若干塊指向自旋波傳輸方向的磁疇和在磁疇之間形成的特定結(jié)構(gòu)的磁疇壁構(gòu)成；相鄰磁疇之間磁化方向相反；其中，通過全反射方式來傳輸自旋波，通過外加電場(chǎng)改變自旋波發(fā)生全反射所需的入射角度范圍的方式來改變自旋波傳輸方向；該結(jié)構(gòu)的功能類似于公知的光波導(dǎo)纖維，主要區(qū)別是該結(jié)構(gòu)以磁性絕緣材料為媒介，自旋波為能量和信息的載體。該自旋波定向傳輸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可根據(jù)要求單向或雙向傳輸自旋波，傳輸效率高，衰減小，易于集成與擴(kuò)展，易于與現(xiàn)有電子芯片技術(shù)相結(jié)合。
【IPC分類】H01P3-12
【公開號(hào)】CN104767020
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510123320
【發(fā)明人】蘭金, 余偉超, 肖江
【申請(qǐng)人】復(fù)旦大學(xué)
【公開日】2015年7月8日
【申請(qǐng)日】2015年3月20日