一種基于表面磁各向異性的自旋波導線的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于磁性器件技術領域，具體涉及一種基于表面磁各向異性的自旋波導 線。
【背景技術】
[0002] 自旋是繼現(xiàn)代以電子、光為信息載體的下一代信息技術的理想信息載體。自旋波 是磁性材料中磁矩的一種集體激發(fā)，可有效的攜帶自旋信息。不同于電子只能在導體材料 中傳播，自旋波可以在磁性導體、半導體、絕緣體中傳播，因此自旋波器件在材料選擇上的 自由度遠大于電子器件。同時，自旋波無需電子的移動，因此不存在焦耳熱，從而能更加有 效的減小傳輸過程中的損耗，對于節(jié)能有極大好處。
[0003] 構(gòu)建處理自旋波信息的基礎部件包括自旋波二極管，自旋波三極管等，其中最不 可或缺就是用來傳輸自旋波的導線。作為自旋信息處理系統(tǒng)中的基礎器件，自旋波導線的 功能在于將作為信息載體的自旋波導向各個功能器件進行處理，這就要求自旋波導線能夠 低損耗且容易排布。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于表面磁各向異性的自旋波導線。
[0005] 本發(fā)明提供的基于表面磁各向異性的自旋波導線，基于擁有表面磁各向異性的磁 性薄膜材料，且該磁性薄膜材料通過公知的磁控濺射技術進行表面(包括上表面、下表面)） 修飾，使其具有表面磁各向異性，即薄膜表面層的易軸垂直于表面。
[0006] 本發(fā)明中，所述的磁性薄膜材料具有單軸各向異性、雙軸磁各向異性或其它面內(nèi) 磁各向異性，其各磁向異性軸處于薄膜面內(nèi)。
[0007] 本發(fā)明的自旋波導線，在內(nèi)傳播的為表面波模式自旋波。該模式的自旋波僅在磁 性薄膜材料擁有表面磁各向異性時才能夠被激發(fā)和傳播。
[0008] 本發(fā)明的自旋波導線，其工作頻率低于磁性薄膜材料的體模式能隙，高于表面波 模式能隙。
[0009] 理論計算結(jié)果表明，擁有易軸表面磁各向異性的材料的自旋波譜會多出一個表面 波模式，其能隙相對于體模式更低，其空間穿透深度與表面磁各向異性強度呈反比。
[0010] 本發(fā)明僅由磁性材料構(gòu)成。
[0011] 下面將闡述這一現(xiàn)象的主要科學原理： 在磁性材料中，磁的動力學方程由LLG(Landau-LishitZ-Gilbert)方程描述：
其中m是歸一化的磁化量，·是Glibert磁阻尼系數(shù)，f是磁旋系數(shù)。每個磁矩所感受 到的有效場可以表述為：
其中A是磁交換系數(shù)，K是單軸各向異性系數(shù)，單軸磁各項異性指向X方向，交3:為拉普 拉斯算子。除此之外，擁有表面磁各向異性的磁性材料在其表面處會感受到一個等效表面 磁各向異性場：
其中，/?為表面磁各向異性常數(shù)(A、>0表示易軸表面磁各向異性)，η為磁性薄膜材料 的法向矢量。
[0012] 與現(xiàn)有的技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點： (1) 本發(fā)明中所述的自旋波導線基于磁性材料，其中的信息載體是自旋波，不是導電電 子，規(guī)避了焦耳熱，從而可以大大降低器件的功耗。本發(fā)明是未來自旋波器件的必備組件之 ， (2) 本發(fā)明中自旋波導線中所傳播的為表面波模式自旋波，因此具有一定穿透深度。由 于自旋波的能量集中在貼近表面的有限區(qū)域內(nèi)，激發(fā)表面波所需的能量相較于激發(fā)體模式 要低得多，能耗相比于傳統(tǒng)的自旋波導線更低； (3) 本發(fā)明中自旋波導線的排布可以通過生長異質(zhì)材料或其他表面調(diào)控方式實現(xiàn)對磁 性薄膜表面磁各向異性的選擇性修飾。由于公知的磁控濺射技術十分成熟，自旋波導線可 以被排布成任意的結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0013] 圖1擁有表面磁各向異性的磁性薄膜材料剖面示意圖。
[0014] 圖2擁有表面磁各向異性的磁性薄膜的自旋波色散頻譜。
[0015] 圖3自旋波導線排布示意圖。
[0016] 圖4自旋波導線排布仿真圖。
【具體實施方式】
[0017] 下面結(jié)合具體實施例和附圖來詳細說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于此。本實施 例所采用體材料1為釔鐵石榴石（YIG)，其中磁交換系數(shù)A=0. 328e-10Am，單軸各向異性系 數(shù)K=0. 388e5A/m，磁旋系數(shù)為2. 21e5HV(A/m)，擁有表面磁各向異性的上表面2厚度為 3nm，其表面磁各向異性系數(shù)Kl=3. 33e5A/m。
[0018] 圖1是擁有表面磁各向異性的磁性薄膜材料剖面示意圖，擁有單軸各向異性的體 材料1，其單軸各向異性方向處在薄膜面內(nèi)，即圖1中的X方向。擁有表面磁各向異性的上 表面2,其表面磁各向異性方向垂直于表面，即圖1中的y方向。穩(wěn)定狀態(tài)下磁矩指向X方 向。
[0019] 圖2是擁有表面磁各向異性的磁性薄膜的自旋波色散頻譜。橫軸為自旋波在X方 向上的波矢，縱軸為自旋波的激發(fā)頻率。表面磁各向異性的存在導致了表面波模式3的出 現(xiàn)，相比于僅存在單軸各向異性的體模式4,表面波模式3的能隙更低。表面各項異性越強， 則表面波模式3與體模式4之間的能隙差越大。
[0020] 圖3是自旋波導線排布示意圖。擁有單軸各向異性的磁性薄膜材料1中，磁矩指 向易軸方向（y方向）。擁有表面磁各向異性的表面層2生長在磁性薄膜材料1上表面，形 成任意的圖形。
[0021] 圖4是自旋波導線排布仿真圖。在端口 5處施加一交變磁場，該交變磁場的頻率 低于圖2中的體模式4能隙，卻高于表面波模式3能隙，因此僅有表面磁各向異性存在的區(qū) 域會有表面波模式自旋波傳播，在其余僅擁有單軸各項異性的區(qū)域沒有自旋波傳播。該結(jié) 構(gòu)即為自旋波導線，導線的結(jié)構(gòu)依賴于表面磁各向異性層的分布。此外，表面波模式自旋波 僅靠著磁性薄膜材料的上表面?zhèn)鞑?，其穿透深度反比于表面磁各向異性強度?br>【主權項】
1. 一種基于表面磁各向異性的自旋波導線，其特征在于該自旋波導線基于擁有面內(nèi)磁 各向異性的磁性薄膜材料，且該磁性薄膜材料通過公知的磁控濺射技術進行表面修飾，使 其具有表面磁各向異性，即薄膜表面層的易軸垂直于表面。2. 根據(jù)權利要求1所述的自旋波導線，其特征在于所述磁性薄膜材料具有單軸磁各向 異性、雙軸磁各向異性或其它面內(nèi)磁各向異性；其各磁向異性軸處于薄膜面內(nèi)。3. 根據(jù)權利要求1所述的自旋波導線，其特征在于在其內(nèi)傳播的為表面波模式自旋 波，該模式的自旋波僅在磁性薄膜材料擁有表面磁各向異性時才能夠被激發(fā)和傳播。4. 根據(jù)權利要求1、2或3所述的自旋波導線，其特征在于其工作頻率低于磁性薄膜材 料的體模式能隙，高于表面波模式能隙。
【專利摘要】本發(fā)明屬于磁性器件技術領域，具體為一種基于表面磁各向異性的自旋波導線。該自旋波導線基于擁有表面磁各向異性的磁性薄膜材料。當磁性薄膜材料的表面擁有表面磁各向異性時，會有額外的一支表面自旋波模式出現(xiàn)，該模式的自旋波能隙低于體模式。當工作頻率處在表面波模式與體模式之間時，自旋波僅能夠在擁有表面磁各向異性的區(qū)域傳播。若選擇性地使磁性薄膜材料的部分表面具有表面磁各向異性，則可以實現(xiàn)對自旋波傳播路徑的任意控制。由于表面波模式自旋波具有一定的穿透深度，本發(fā)明擁有能耗低，實驗上易制備，工業(yè)上易集成等特點。
【IPC分類】H01P3/12
【公開號】CN105098306
【申請?zhí)枴緾N201510457325
【發(fā)明人】余偉超, 肖江
【申請人】復旦大學
【公開日】2015年11月25日
【申請日】2015年7月30日