Pluošto optika, skirta besisukančioms bangoms | NPP Azijos medžiagos

Pluošto optika, skirta besisukančioms bangoms | NPP Azijos medžiagos

Anonim

Dalykai

  • Taikomoji fizika
  • Kondensuotos materijos fizika
  • Elektronika, fotonika ir prietaisų fizika
  • Nanoskalės prietaisai

Anotacija

Magnetiniai skyriai chiraliniuose magnetuose su Dzyaloshinskii – Moriya sąveika sulaukė didelio dėmesio, nes jie gali būti naudojami ateityje. Čia mes teoriškai parodome, kad dar viena nauja chiralinių magnetų sukinio tekstūra - chiralinė juostos srities siena (SDW) - gali sugeneruoti gilų magnetinį magnetinį potencialą. Atlikdami mikromagnetinius modeliavimus, parodome, kad SDW sukeltas potencialas gali būti naudojamas kaip vidinis kanalas, nukreipiantis nugaros bangų (SW) sklidimą, todėl ultra plonasis chiralinis magnetas, įskaitant SDW, tampa perkonfigūruojamu savadarbiu plakiruotu optinio pluošto pavidalu kaip magnonas. bangolaidis su rūšiuotu lūžio rodikliu. Be to, mes suprojektuojame loginius NOT ir NAND vartus, remdamiesi būsenos moduliuota magnetinio bangolaidžio perdavimo savybe. Taip pat atskleidžiame, kad SDW gali būti patikimai įrašytas į vartų atramas, naudojant „Slonczewski“ sukimo momentą. Galiausiai numatomas pastebimas potencialo pritaikymas kitose srityse. Tikimasi, kad šis darbas atvers naujas galimybes SW nukreipti ir manipuliuoti ypač plonomis magnetinėmis nanostruktūromis, taip pat padės formuoti pluošto magonikos lauką.

Įvadas

Manoma, kad magnetinės grandinės gali žymiai padidinti pralaidumą, palyginti su tomis grandinėmis, kurios šiuo metu grindžiamos papildoma metalo oksido ir puslaidininkio technologija; Taip pat bus įmanomos specialios užduotys, tokios kaip patobulintas vaizdo apdorojimas ir kalbos atpažinimas, kurias naudos lygiagretus informacijos apdorojimas. 1, 2 Norint pasiekti magnetinių grandinių daugiafunkcionalumą, reikalingas kontroliuojamas sukimosi bangų (SW) plitimas ir manipuliavimas daugybe įvairių magnetinių nanostruktūrų.

Nuolat mažinant magnetinių plėvelių matavimus, antisimetrinė Dzyaloshinskii – Moriya sąveika (DMI) 3, 4, atsirandanti dėl keliaujančių elektronų besisukančiojo orbitos, išsiskyrė savo vaidmeniu ultra plonuosiuose pavyzdžiuose su inversijos-asimetrinėmis sąsajomis 5, 6, kai įvairios sukinio tekstūros, tokios kaip kaip sukinio spiralės neseniai buvo pastebėtos 7 chiralinės srities 8, 9 ir skyrmionai 10 . Kaip jau parodyta (nuorodose 11, 12, 13, 14, 15), nehomogeninės sukinio tekstūros gali būti veiksmingos priemonės, leidžiančios pritaikyti besisukančių bangų (SW) sklidimą magnetinėse nanostruktūrose. Todėl labai plonos nanostruktūros su sąsajos sukeltomis DMI taps perspektyviomis kandidatėmis statyti įvairaus funkcionalumo magnoninius prietaisus. 1, 16, 17, 18 Iki šiol apie orientuotą SW platinimą ir manipuliavimą chiralinėse nanostruktūrose, turinčiose unikalias verpimo faktūras, dar nebuvo atsižvelgta, nepaisant jų svarbos potencialiems chiralinių magnetų pritaikymams magnonikoje, taip pat norint suprasti atitinkamų stiprumų stiprumą. sąveikos. 19, 20 plačiai naudojamoje Damono – Eshbacho (DE) sklidimo geometrijoje 21 SW, juostinio tipo bangolaidyje, neatsižvelgiant į centro ar krašto režimą 22, turi nulinę pirmtakų amplitudę ties riba; 23 todėl jie gali nukentėti nuo nepageidaujamo išsibarstymo, kurį sukelia ribų nelygumai, dėl kurių, kaip nustatyta, sumažėja slopinimo ilgis. 22 Duerr ir kt. Pasiūlytas savaiminio apklijavimo bangolaidis su aiškiai apibrėžtais vidiniais kanalais . 13 gali išspręsti kraštų išsklaidymo problemą, tačiau kanalus turi palaikyti pritaikytas laukas, o tai nėra pageidaujama tikruose įrenginiuose.

Šiame darbe pademonstruotas naujo tipo laipsniško lūžio rodiklio magnetinių bangolaidžių su savaime užsidengiančių vidinių nanokanalų realizavimas, kai SW yra įstrigę skersai ir skleidžia ultra siaurą, mažesnį kaip 10 nm, pluoštą. Kanavimo efektas atsiranda dėl stipraus nehomogeniškumo vidiniame lauke įprasta link juostos srities (SDW) tempimo kryptimi. Drastiškas šio lauko sumažėjimas SDW viduje sukuria siaurą potencialo šulinį, kuris yra pakankamai gilus, kad būtų galima atlikti magnetizacijos prielaidą esant žemiems dažniams. Be to, daugiakanalis SW sklidimas vienoje bangolaidėje atliekamas įvedant kelis SDW į bangolaidį (tokia daugialypės SDW sukinio tekstūra turėtų egzistuoti visur, magnetinėse plėvelėse su sąsajos DMI, kaip buvo pastebėta keliuose pavyzdžiuose, pagamintose iš skirtingų medžiagų ir / ar statiniai). 9, 24, 25 Be to, mes parodome, kad kai bangolaidis perjungiamas į beveik vienalytę vieno domeno būseną, jokie SW negali įeiti ir praeiti pro bangolaidį, nebent dažnis padidinamas iki dešimtys gigahercų. Galiausiai, įgyvendindami stebėtą būsenos moduliuotą SW perdavimą, mes įgyvendiname loginius NOT ir -NAND vartus ir parodome, kaip SDW gali būti patikimai įrašytas į vartų ranką, kad būtų užtikrinta šios logikos architektūros galimybė. Privalumas yra jo visiškas suderinamumas su hipodromo atmintimi 26, tai yra, jis gali būti tiesiogiai sujungtas su pastarosiomis grandinėmis, nes šiuose vartuose naudojamas vienetas (magnoninis bangolaidis) gali, tinkamai atlikus konfigūraciją, veikti kaip nanotracis skyrmion judėjimui skyrmion. pagrįsti hipodromo prisiminimai. 27, 28

medžiagos ir metodai

Mikromagnetiniai modeliai

Šio tyrimo schema parodyta 1a paveiksle. Magnoninis bangolaidis, kuriuo SW bus sujaudintas ir nukreiptas, yra sudarytas iš stačiakampės magnetinės plokštės, pailgos erdvės x kryptimi. Jis turėtų būti pagamintas iš ypač plonos magnetinės plėvelės su inversijos simetriją atitraukiančiomis sąsajomis, kad būtų užtikrintas indukuotas DMI 5, reikalingas stabilizuoti chiralinius SDW bangos vadove. Tolesniuose skyriuose parodysime, kaip pirmąjį žingsnį, pagrindinį SDW panaudojimo principą, norint nukreipti SW sklidimą magnoniniame bangolaidyje. Čia mes pasirinkome 1200 nm ilgio ir 60 nm pločio bangolaidį, kuriame yra vienas SDW (1, 2, 3 ir papildomi paveikslai). Palyginimui, tačiau mes taip pat patikrinome SW sklidimą tame pačiame bangolaidyje su atskira sukimosi konfigūracija. Vėliau parodysime, kad SW sklidimas atskirais kanalais lygiagrečiai pasiekiamas viename bangolaidyje. Tam buvo pritaikyti papildomi 120 ir 160 nm plotiai, kad tilptų daugiau nei vienas SDW (4 paveikslas). Pabaigoje paaiškinsime, kaip atlikti logines operacijas naudojant valstybės moduliuotą SW išėjimą. Šiuo tikslu kaip pagrindinis loginių vartų elementas buvo naudojamas 300 nm ilgio ir 60 nm pločio bangolaidis (5 ir 6 pav.). Visi bangolaidžiai yra 1 nm storio.

Image

Sąranka SW sužadinimui ir sklidimui, SDW būsena ir jos vidinio lauko profilis. a ) Bangolaidis yra pagamintas iš chiralinių magnetinių plėvelių su paviršiaus paviršiaus DMI. Mikro juostelių antena yra pritvirtinta bangolaidžio centre ir statmenai tam, kad sukimosi bangos, skleidžiamos atidarius sužadinimo lauką h AT, judėtų priešingomis kryptimis, kaip rodo geltonos rodyklės. Tamsiai mėlynos spalvos plotai bangolaidžio galuose sudaro sugeriančią ribą, naudojamą slopinti SW atspindį. Bangolaidis yra 1200 nm ilgio ir gali būti skirtingo pločio, atsižvelgiant į SDW, skirtų rašyti, skaičių. b ) SDW būklės sukimosi konfigūracija 60 nm pločio bangolaidyje. SDW yra tarp dviejų juostų sričių, įmagnetinant aukštyn ir žemyn. SDW turi neabejotiną chirališkumą (čia prieš laikrodžio rodyklę), kaip nustatyta DMI. c ) Aukščiau pateiktos sukinio konfigūracijos ir įmagnetinimo bei energijos tankio pasiskirstymo bangos ilgio skerspjūvio vaizdas. d ) Vidinio lauko pasiskirstymas per bangolaidžio plotį. Šis laukas, parodytas intarpe, rodo, kad bangolaidžio centre yra suformuotas gilus potencialo šulinys. Šulinio plotis, ~ 10 nm, yra apibrėžiamas kaip visas šulinio plotis, esant pusei maksimalios vertės (FWHM), Hz.

Visas dydis

Image

Kanalas SW sklidimas, bangų charakteristikos ir ribotos galimybės SDW ir vieno domeno būsenoms. SW sklidimo šablonai nurodytais dažniais 60 nm pločio bangolaidyje ( a ) SDW ir ( b ) vienos srities būsenoms. c ) pluošto plotį kaip dažnio funkciją. Spindulio plotis apibrėžiamas kaip SW amplitudės pasiskirstymo bangos ilgio FWHM. d ) SW dispersijos santykis. Apatinė šaka atitinka gero režimo SW palei SDW būsenos centrinį kanalą, o viršutinė atšaka yra kraštinio režimo SW palei vieno domeno būsenos kraštinius kanalus 14 . f 1 ir f 2 žymi atvirojo režimo ir krašto režimo SW dažnius. e ) SDW ir vieno domeno būsenų vidaus lauko kraštovaizdis. Centrinis šulinys, kurį sukelia SDW, yra maždaug šešis kartus giliau nei krašto šuliniai, atsirandantys iš dalinių sienų 14 šoniniuose kraštuose. Šis šių šulinių gylio skirtumas gali paaiškinti skirtingas f 1 ir f 2 reikšmes.

Visas dydis

Image

Kanalinis-SW silpninimas padidinus sklidimo atstumą. Linijos yra kreipiamosios į akis ir naudojamos atspindėti amplitudės santykio kitimo tendenciją, atsižvelgiant į sklidimo atstumą. Į kiekvieną skydą įterpiamas greito Furjė transformacijos (FFT) amplitudės pasiskirstymo modelis, gautas naudojant SEMARGL programinę įrangą, 29 iš nukreiptos sukimosi bangos nurodytu dažniu. ( a ) 4 GHz, b ) 20 GHz, c ) 40 GHz ir ( d ) 60 GHz.

Visas dydis

Image

Daugiakanalio bangolaidžio, paremto magnetine plokštele, turinčia daugiau nei vieną SDW, realizacija. Statinės sukimosi konfigūracijos ir pastoviosios būsenos SW sklidimo schemos ( a ) 2-SDW ir ( b ) 3-SDW būsenose pateikiamos atitinkamai kairiajame ir dešiniajame skyduose. Magnetinių plokštelių plotis yra ( a ) 120 ir b ) 160 nm. Abu mėginiai yra 1200 nm ilgio.

Visas dydis

Image

Loginiai NOT ir NAND vartai, pagrįsti valstybės moduliuotu SW perdavimu. a ) Vartų architektūros schema. Kairė antena yra SW šaltinis, o dešinė antena nustato išvesties signalą, užkoduotą pagal SW stiprumą. Logikos įvestis užkoduojama varto jamos rankos sukinio būsenoje. Grioveliai vartų rankenos galuose naudojami norint sumažinti SW atspindį. b ) Logic-NAND veikimas ir tiesos lentelė. Kiekvienoje rankoje kartu rodoma foninė nugaros būsena ir atitinkamas SW pasiskirstymas. Kiekviena ranka yra 300 nm ilgio ir 60 nm pločio; skirtumas tarp abiejų sijų yra 40 nm. Naudojamos nugaros bangos dažnis yra 10 GHz. Kitos 20, 60 ir 80 nm atskyrimo vertės taip pat buvo tiriamos imitacijose, siekiant patikrinti, ar dipolinė jungtis 57 tarp abiejų sijų turi įtakos NAND vartų veikimui, ir nustatyta, kad pasirinktam mažiausiam 20 nm atskyrimui „NAND“ vartai vis dar gali gerai veikti.

Visas dydis

Image

SDW įrašymas į vartų rankeną. ( a ) Viršutinis vaizdas ir ( 2 ) Šoninis vartų rankenos vaizdas, integruotas su rašymo įtaisu. Rašymo blokas ir Pt / Co bangolaidžio sluoksnis sudaro trisluoksnį sukinio ir vožtuvo struktūrą. Du viršutiniai elektrodai, kuriems tiekiama įtampa, U DC, sukelia elektronų srautą išilgai punktyrinės linijos (srovės tekančių linijų pasiskirstymas yz plokštumoje parodytas 6 papildomame paveiksle). Iš pradžių tiek poliarizatorius, tiek laisvasis sluoksnis yra magnetiškai nukreipti aukštyn. Veikiant priešingam sukimosi momentui, atsirandančiam iš besisukančios poliarizuotos srovės, Pt / Co sluoksnyje, esančiame po A viršutiniu elektrodu, sukimai yra atvirkštiniai, tuo tarpu tie, kurie yra žemiau B elektrodo, palaiko pradinę orientaciją, kuri tarp jų sukuria SDW. b ) Pereinamosios būsenos nurodytu laiku po dabartinio paleidimo. Mes patikrinome elektronų srovės tankio ( J z ) įtaką atvirkštinės srities įpurškimui, pakeisdami J z nuo 0, 9 iki 2, 0 MA mm -2 su 0, 1 MA mm -2 intervalu ir nustatėme, kad atvirkštinė sritis gali patikimai įrašomas į Pt / Co sluoksnį, kai J z yra ne mažesnis kaip 1, 1 MA mm -2 . Modeliavime mes sutelkėme dėmesį tik į laisvojo sluoksnio sukinio dinamiką, o tarpiklio ir poliarizatoriaus savybės buvo modeliuojamos keliais parametrais. Buvo manoma, kad nugaros poliarizacija yra 0, 4 27, o sukimosi kryptis poliarizatoriuje yra m p = (0, 0, 1), tai yra, išilgai + z ašies. Ne plokštumos (lauko panašus) sukimo momentas yra nereikšmingas, nes laisvojo sluoksnio sukimosi dinamika skirtumų 0 = 0 ir 1, 0, kur ξ yra lauko lauko sukimo momento amplitudės santykis su plokštumoje. 27

Visas dydis

Skaitmeniniai modeliavimai

Buvo atlikti mikromagnetiniai modeliavimai 29 su „MuMax3 30“ ir „OOMMF 31“ kodais, siekiant magnetiniame bangolaidyje nustatyti statinę pusiausvyros sukinio konfigūraciją ir atsekti išorinio dirgiklio sukelto įmagnetinimo dinamiką. Visiems skaičiavimams Landau – Lifshitz – Gilbert lygtis buvo papildyta sąsajos DMI terminu 32, o šiems modeliavimams, nagrinėjantiems nugaros dinamiką, kurią sukėlė ne plokštumos elektros srovė (6 paveikslas), - Slonczewski sukimosi momentas 33 (kartu). taip pat buvo įtraukta į Landau – Lifshitz – Gilbert lygtis. Ribinės temperatūros modeliavimui atsitiktinis rudos formos 30, 34 formos šiluminis laukas buvo įtrauktas į efektyvųjį lauką (rezultatai parodyti papildomame 4 paveiksle). Informacija apie mikromagnetinius modeliavimo būdus pateikiama papildomoje informacijoje. Medžiagos parametrai, naudojami modeliuojant, yra būdingi Pt / Co sistemoms su statmena magnetine anizotropija: 27 prisotinimo įmagnetinimas M s = 580 kA m -1, mainų standumas A = 15 pJ m -1, o Gilbert slopinimas buvo laikomas prielaida. α = 0, 01 27, 35, 36 visame bangolaidyje, išskyrus absorbuojančią ribinę sritį, 37, kur jo vertė smarkiai padidėja ( α = 0, 05 38, 39, 40 taip pat buvo tiriama simuliacijose, kurios davė panašius rezultatus kaip α = 0, 01; žr. 3 papildomą paveikslą). Vienas akivaizdus skirtumas yra tas, kad SW α tikimasi greičiau, kai α = 0, 05, nei α = 0, 01. Išsami informacija apie amortizacijos verčių pasirinkimą pateikiama papildomoje informacijoje). Buvo patikrinta KU (statmena magnetokristalinė anizotropija) ir D (DMI stipris) verčių serija dideliais intervalais, kad būtų užtikrintas įvairių galimų mėginių rezultatų pagrįstumas (papildomi 1 ir 2 paveikslai). Daugelio K u ir D derinių atveju bangolaidis gali išlikti daugialypės SDW būsenoje, kur priešingos juostos domenai yra atskirti chiraliniais SDW. Rezultatai, pateikti paveikslėliuose visame darbe, atitinka K u = 0, 8 MJ m -3 (taigi efektyvioji vienaašė anizotropija K eff = 0, 6 MJ m -3, apskaičiuota pagal K eff = K u - (1/2) μ 0 M s 2 ) 27, 41 ir D = 3, 5 MJ m -2 . Skaičiuojamasis tūris yra diskretizuotas į kubines akis, kurių matmenys yra 1 × 1 × 1 nm 3, neatsižvelgiant į mėginio dydį. Žadinimo laukas h AT yra taikomas antenos nurodytame bangolaidžio 4 × w nm 2 plote ( w yra bangos ilgio plotis), o jo laiko profilis yra arba h AT ( t ) = H 0 · sin [ 2π f c ( tt 0 )] / [2π f c ( tt 0 )] ê x, kur H 0 = 2000 Oe ir f c = 80 GHz yra sin c lauko amplitudė ir ribinis dažnis arba h AT ( t ) = h 0 · sin (2π ft ) ê x, kur h 0 ir f yra rf lauko amplitudė ir dažnis skirtingiems tikslams. H 0 = 10 Oe ir 200 Oe reikšmingų rezultatų skirtumų nepastebėta, išskyrus tai, kad 200 Oe laukas gali padidinti fazių skiriamąją gebą tarp gretimų modeliavimo ląstelių. Be to, hW = 1000 Oe ir 10 000 Oe buvo naudojami SDW būsenos stabilumui patikrinti; buvo nustatyta, kad SDW struktūros šiuose laukuose negalima sunaikinti.

Kodo prieinamumas

Rezultatams generuoti naudojami „OOMMF“ ir „MuMax3“ yra atvirojo kodo viešojo naudojimo kodai ir jais galima laisvai naudotis //math.nist.gov/oommf/ (1.2a5 versijos versija) ir //mumax.github.io/ (Release) 3 versija).

Rezultatai

Suformuotas gilus vienmatis (1D) potencialas išilgai SDW

1b paveiksluose SDW yra dedamas tarp viršutinės ir apatinės juostos sričių, atitinkamai įmagnetinant aukštyn ir žemyn. Verpimo tekstūros vaizdas iš šono parodytas 1c paveiksle. Aišku, kad SDW yra „Neel“ tipo 8 ir turi kairės rankos chiralumą (išilgai + y ašies, įmagnetinimas sukasi prieš laikrodžio rodyklę iš apačios į viršų), kurį garantuoja sąsajos DMI. Čia DMI vaidmenys yra dvejopi: jis stabilizuoja susuktos nugaros konfigūraciją ir susukto įmagnetinimo chiralumą. Be DMI neįmanoma realizuoti nugaros tekstūros tokiame mažame pavyzdyje. M y ir M z kitimas per bangolaidžio plotį, pavaizduotas 1c paveiksle, rodo, kad M y profilis yra simetriškas SDW linijos atžvilgiu, o M z profilis yra antisimetriškas. SDW būseną apsaugo jos sukinio konfigūracija su tokiu M y komponento išlyginimu. Viduriniam SDW artėjant prie bet kurio šoninio krašto, jaučiama padidėjusi atstumiamoji jėga iš to krašto, panaši į situaciją, kurią patiria skyriai, einantys link vieno hipodromo krašto. 27, 38

1b paveiksle pavaizduotas magnetinės energijos kraštovaizdis visame bangolaidžio plote, atitinkantis parodytą konfigūraciją. Primenant, kad efektyvusis laukas H eff yra dalinis energijos tankio E išvestinis įmagnetinimo atžvilgiu, tai yra, H eff ~ -∂ E / ∂ m , efektyvųjį magnetinį lauką, susietą su nugaros tekstūra, galima gauti taip, kaip nubraižyta. 1d paveiksle. Aišku, efektyviojo lauko H y ( H z ) komponentas turi tokią pačią simetriją kaip ir M y ( M z ) įmagnetinimo komponentas. Tačiau lauko pasiskirstymas pasižymi padidintu nehomogeniškumu, palyginti su įmagnetinimo pasiskirstymu. Jei daugiausia dėmesio skiriame H y ir H z dydžiams, bet nekreipiame dėmesio į jų ženklus, gauname lauko profilį, kaip įterpta 1d paveiksle, iš kurio galima aiškiai pastebėti potencialaus šulinio formavimąsi. Lauko nehomogeniškumo sukuriamas potencialas yra centre y = 0 (tai yra, išilgai SDW linijos). Be minimumo, esant y = 0, H y yra dar du minimumai, esant y ~ ± 20 nm, kur dar negalima indukuoti jokių šulinių, nes Hz yra artimas jo maksimumui. Potencialus šulinys gali būti suformuotas tik toje vietoje, kur tiek H y, tiek H z yra mažiausios.

Kai maždaug y = 0, atkreipkite dėmesį, kad vidinis laukas smarkiai sumažėja nuo maksimalaus iki minimalaus. Tai reiškia, kad potencialus šulinys yra ne tik gilus, bet ir siauras. Dėl to, jei išoriškai bus trikdoma santykinai žemu dažniu, gręžiniai šulinio viduje galės iš anksto pasislėpti; tačiau tie, kurie yra už šulinio, nebus. Tokiu būdu SDW, sukeliantis potencialų šulinį, turėtų būti siauras kanalas, išilgai kurio poslinkio diapazonų dažniai sklinda SW ir sudaro bangos pluoštą. Ši idėja buvo patikrinta mikromagnetiniais modeliavimais, o rezultatai pateikti 2 paveiksle.

Vidinis SW nukreipimas dėl 1D riboto potencialo

2a paveiksle pavaizduoti SW pasiskirstymo vaizdai tam tikrais magnetinio bango dažnio su SDW dažniais. Remiantis šiais skaičiais, SW spindulio formavimas yra aiškus ir pateisina, kad SDW bangolaidyje iš tikrųjų gali būti naudojamas kaip kanalas, nukreipiantis SW sklidimą. Vidinio lauko šulinys yra toks gilus, kad SW iki 2 GHz gali būti viduje, turint daug ryškų stiprumą. Tiesą sakant, šulinio režimo dispersinis santykis rodo, kad kritinis dažnis ( f 1 ), virš kurio SWs leidžiama egzistuoti kanale, yra artimas nuliui (išsamiau žr. 2d paveikslą). Kai sužadinimo dažnis viršija 60 GHz, SW bus ne tik įstrigęs šulinyje, bet ir atsiras lauke. T. y., Barjerinis ir šulinio režimai bus sužadinti vienu metu (2a6 pav.). Dėl vidinio lauko skirtumo šulinio režimo SW bangos ilgis yra daug trumpesnis nei barjerinio režimo. Kaip ir tikėtasi, gero režimo SW bangos ilgis mažėja didėjant dažniui. Šulinio srityje įmagnetinimas yra nukreiptas išilgai y ašies ir yra statmenas SW sklidimo krypčiai, sudarančiai DE sklidimo geometriją. Gerai žinoma, kad DE SW turi teigiamą sklaidą ir, dar svarbiau, didelį grupės greitį leidžiamame dažnių diapazone. 42, 43 Kitas ryškus brėžinys 2a paveiksle yra tas, kad kairėje ir dešinėje sklindantys SW turi skirtingą bangos ilgį ir amplitudę, o tai rodo, kad gero režimo SW išilgai vidinio kanalo yra abipusė. Nepriklausomumas tarp SW yra neatsiejama chiralinės magnetinės sistemos su sąsajos DMI savybė. 14, 44

Kaip parodyta 2c paveiksle, gerai veikiančio režimo SW pluošto plotis beveik nepriklauso nuo dažnio ir yra mažesnis nei 10 nm, o tai gerai atitinka tai, ko tikimasi iš šulinio pločio esant ~ 10 nm. Dėl to, kad galimas šulinys nepriekaištingai ribojasi, įmagnetinimo precesijos stipris šoniniuose kraštuose yra maždaug lygus nuliui. Atitinkamai, kanalai, einantys palei kanalą, yra nejautrūs krašto aplinkai. Tokiu būdu mes suprantame, kaip savaime apklijuojamas optinio pluošto pavidalo magnoninis bangolaidis. Čia stipriai modifikuotas vidinis laukas yra lygiavertis skaidulinės optikos randamam lūžio rodikliui, o uždarantysis šulinys vaidina tokį patį vaidmenį kaip optinio pluošto pagrindinis sluoksnis. 45 Potencialūs įtaisai, pastatyti iš tokių optinio pluošto pavidalo bangolaidžių, turėtų būti patikimi ir našūs, nes dėl nedidelio ribų išsibarstymo, kurį patiria nukreipti SW, padidės SW silpnėjimo ilgis ir netgi koherencijos ilgis.

Palyginimui mes ištiriame SW sklidimą tame pačiame bangolaidyje, bet su vieno domeno sukinio konfigūracija (kairysis skydelis 2b paveiksle). Dešinės plokštės 2b paveiksle rodo SW pasiskirstymą dviem būdingais dažniais. Mažesni nei 58 GHz arba slenksčio dažnis ( f 2 ), bangos bangoje negali būti sužadinti jokie SW. 60 GHz dažniu (šiek tiek didesniu nei f 2 ) tik vienas krašto režimas gali prisijungti prie sužadinimo lauko ir sklisti išilgai kraštinių kanalų. Esant 80 GHz dažniui (daug didesniam nei f 2 ), įjungiami abu kraštų režimai. Akivaizdu, kad šie SW yra abipusiai nesusiję, o tai kokybiškai atitinka tai, kas nustatyta Garcia-Sanchez et al tyrime . 14

Dispersijos kreivės, pateiktos 2d paveiksle, gali pateikti visą SW sužadinimo ir sklidimo charakteristikų bangolaidyje vaizdą. Apatinė kreivė ateina iš šulinio režimo SDW būsenoje, o viršutinė kreivė eina iš krašto režimo vieno domeno būsenoje. Pastebėta, kad bet kokie trikdžiai, kurių didžiausias dažnis yra f 1 - f 2, gali praeiti pro bangolaidį SDW būsenoje, tačiau bus sustabdyti bangos vadove vienadomenio būsenoje. Būtent, perjungdami bangolaidžio įmagnetinimo būseną, SW galima įjungti ir išjungti. Ši funkcija yra ištirta norint įgyvendinti logines operacijas, kaip bus parodyta vėliau. Priešingai nei krašto režimas, šulinio režimas pasižymi padidintu abipusiškumu (palyginkite dispersijos kreives 60–80 GHz diapazone). Tame pačiame dažnyje šulinio režimas turi mažesnį fazės greitį, bet didesnį grupės greitį nei krašto režimas, o tai žada didesnį SW koherencijos ilgį.

SDW ir vieno domeno sukinio tekstūrų vidinio lauko profiliai yra parodyti atitinkamai 2e paveikslo kairiajame ir dešiniajame skydeliuose. Galima pastebėti, kad šoniniai šuliniai, atsirandantys iš dalinių sienų 14, esančių aplink šoninius kraštus (žr. 2b paveikslo kairįjį skydelį), yra gana negili, palyginti su SDW gerai sukurtu centru. Lauko vertės, atitinkančios šulinio ir vidurio šulinio dugnus, yra atitinkamai maždaug 16 ir 2, 5 kOe. Tai gali reikšti didelį šulinio ir krašto režimų atvirų dažnių ( f 2 –f 1 ) skirtumą, kai manoma, kad atvirąjį režimo sužadinimo dažnį lemia efektyvaus lauko stipris sužadinimo srityje.

2a paveiksle mes nustatėme, kad nukreipti SW yra abipusiai, ką parodo skirtingi kairės ir dešinės pusės judančių SW bangų ilgiai ir amplitudės. Dėl riboto bangolaidžio dydžio neįmanoma tiksliai nustatyti šių dviejų spindulių slopinimo ilgio; tačiau vis dar galima įvertinti, kuri iš dviejų atšakų suyra greičiau. Mūsų idėja yra tokia: Atmetus fazių informaciją, sklidimo SW amplitudė kaip sklidimo atstumo funkcija nurodoma A ( x ) = A 0 · exp (- x / Λ ), 44, kur A 0 ir Λ yra atitinkamai SW sužadinimo amplitudė ir silpnėjimo ilgis. Taigi kairės ir dešinės pusės sklindančių SW amplitudės santykis yra η = A l ( x ) / A r ( x ) = A l 0 / A r 0 · exp [ x · ( Λ lr ) / ( Λ l · Λ r )]. Jei Λ l = Λ r , tada η = A l 0 / A r 0 = C , tai reiškia, kad amplitudės santykis yra pastovus ir nepriklauso nuo sklidimo atstumo. Jei Λ lr, tada η = C · exp ( a · x ) kur a = ( Λ l- Λ r ) / ( Λ l · Λ r ) <0, tai rodo, kad amplitudės santykis monotoniškai mažės plintant atstumas; kitaip jis padidės monotoniškai kartu su sklidimo atstumu.

Kairiojo ir dešiniojo pluošto amplitudės santykis atsižvelgiant į sklidimo atstumą, taip pat su tuo susiję SW amplitudės modeliai esant keliems būdingiems dažniams, parodyti 3 paveiksle. Iš šių paveikslų matyti, kad amplitudės santykis yra mažėjanti sklidimo funkcija. atstumas. Tokiu būdu darome išvadą, kad Λ lr, būtent, į dešinę važiuojantys SW suyra lėčiau nei kairieji. Be to, nustatyta, kad amplitudės santykis didėja kartu su dažniu, o tai reiškia, kad kuo didesnis sužadinimo dažnis, tuo didesnis santykinis sužadinimo efektyvumas tarp kairiosios ir dešinės sijų. Toks elgesys jau pastebimas 2a paveiksle.

Dabar, kai SW kanalą nustato SDW, kuris sukuria ribotą potencialą, ar įmanoma turėti kelis kanalus viename bangolaidyje, kuriame yra daugiau nei vienas SDW? Jei taip, tuos labai plonus magnetinius pavyzdžius su pasikartojančiais juostos domenais pusiausvyroje, eksperimentiškai realizuodami skirtingas grupes, 9, 24, 25, galima naudoti kaip daugiakanalį magnoninį bangolaidį. Norėdami išbandyti šią sąvoką, mes surašome du ir tris SDW į vieną bangolaidį ir tada patikriname SW sklidimą bangolaidyje pagal bet kurią iš parašytų verpimo faktūrų. Iš 4a ir b paveikslų matyti, kad 2-SDW ir 3-SDW besisukančios tekstūros gali statiškai egzistuoti viename bangolaidyje, o SW sužadinimas ir sklidimas lygiagrečiai besiribojančiuose šuliniuose taip pat yra dinamiškai pasiekiamas. Dėl įgimtų nukreiptų SW neatsiejamumo, gretimų kanalų sijos pasižymi skirtingomis bangų charakteristikomis, tai yra, bangos ilgiu, stiprumu, silpnėjimo ilgiu ir pan. Dėl to gali būti išvengta išplėstinės plėvelės šifravimo į 1D magnetinius bangolaidžius, kad būtų galima apriboti SW, ir manipuliacija SW sklidimu funkcinėms operacijoms gali būti atliekama tiesiogiai atskirais kanalais, įrašytais į filmą, o ne atskirais bangolaidžiais, išraižytais iš filmo. . Kanalo savybes galima pritaikyti, pavyzdžiui, pagal inžinerinę medžiagą ar sąsajos parametrus. 25, 27 Tarpai tarp netoliese esančių kanalų turėtų būti kontroliuojami naudojant vietinį Oersted lauką, 11 sukimosi perdavimo momentą 33 arba „Spin-Hall“ sukimo momentą 46 (daugiau informacijos apie tai, kaip valdyti tarpus tarp šalia esančių kanalų, žr. 5 papildomą paveikslą).

Loginės operacijos, pagrįstos valstybės moduliuotu SW perdavimu

Norėdami susieti šias išvadas su praktiniu pritaikymu, remdamiesi valstybiniu kontroliuojamu SW jungikliu naujame bangolaidyje, mes sukūrėme magoninius loginius vartus. „Logic-NOT“ vartų struktūroje (5a pav. 1 ) yra trumpojo bangolaidis (300 nm ilgio, 60 nm pločio) ir antenų pora. Kairioji antena naudojama SW signalams įpurkšti į bangolaidį, o dešinė antena naudojama šiems signalams nuskaityti per indukcinę jungtį. Šių NOT vartų loginė įvestis ir išvestis koduojama atitinkamai į bangolaidžio sukimosi būseną ir gaunamo signalo amplitudę. Iš esmės, logika-NE vartai kartu su bent vienu papildomu dviejų įvesties logikos priepuoliu leis įgyvendinti savavališkas logines operacijas, kartais padedant ventiliatoriaus išėjimo ir kryžminio maršruto parinkimo vienetams. 47 Čia mes sukuriame dviejų įėjimų loginius NAND vartus, sujungdami du tokius loginius - NEMOKAMUS vartus lygiagrečiai taip, kaip parodyta 5a 2 paveiksle. Sukimosi konfigūracija dviejose NAND vartų svirtyse operacijos metu gali būti valdoma atskirai.

5b paveiksle pavaizduoti funkcijos logika-NAND modeliavimo rezultatai. Kai abi rankos yra SDW būsenoje (loginė „0“ įvestis), zondo anteną prasiskverbs stipriausias magnetinis srautas ir jos sukels didžiausią indukcinę įtampą (loginė „1“ išvestis). Kai viena iš dviejų sijų paverčiama vieno domeno būsena (loginis „1“ įvestis), į imtuvą įeinantis magnetinis srautas vis tiek bus nulinis, nors sumažėjo iki pusės stipriausio stiprio (loginė „1“ išvestis). Nepaisant to, kai abi rankos bus parinktos į vieno domeno būseną, aptikimo antena nerinks nieko, išskyrus triukšmą (loginė „0“ išvestis). Tai yra visa loginių NAND operacijų, kuriose taip pat įrodytas NOT vartų funkcionalumas, detalumas.

Duomenys, pagrįsti indukciniu metodu, nuskaitomi greitai, todėl operacijos greitis daugiausia priklauso nuo rašymo efektyvumo. SDW rašymą galima pasiekti naudojant įprastą sukimosi perdavimo momentą, 33 atsirandantį „Spin-Hall“ sukimo momentą, 46 ar net „fringing“ lauką, kaip ir šių dienų standžiajame diske. Pateikiame SDW įpurškimo naudojant sukinio poliarizuotą srovę pavyzdį, kurio tekėjimo kelią nusako specialiai sukurti elektrodai (žr. 6a1 ir a2 paveikslus). Viršutinių elektrodų, kuriems tiekiama nuolatinė įtampa ( U DC ), pora padės elektronams tekėti išilgai punktyrinės linijos. Norėdami poliarizuoti srovę, ant Pt / Co-free sluoksnio yra pritvirtintas nemagnetinis tarpiklis ir poliarizatorius, kad būtų suformuotas apverstas trišakis sukimosi vožtuvas (išsamesnės informacijos žr. 6a pav.). Iš pradžių tiek poliarizuojantys, tiek laisvieji sluoksniai įmagnetinami aukštyn. Įjungus taikomą įtampą, Pt / Co sluoksnyje, esančiame po A ir B viršutiniais elektrodais, sukimasis veikiamas priešingais sukimo momentais. Taigi, šie sukiniai, esantys žemiau A elektrodo, bus atvirkštiniai, o tie, esantys žemiau B elektrodo, išlaikys pradinę orientaciją. Po atsipalaidavimo SDT bus sukurtas centriniame Pt ​​/ Co sluoksnio regione.

Visas dinaminis procesas parodytas 6b paveiksle. Kai t = 0, srovė įjungiama. Iškart atvirkštinė sritis susiformuoja ties apatine laisvojo sluoksnio riba, kaip parodyta 6b2 paveiksle. Atvirkštinis domenas plečiasi didėjant srovei. Esant ~ 510 ps, ​​zigzago SDW įšvirkščiamas į laisvą sluoksnį. Atpalaiduojant pereinamąją būseną esant nulinei srovei, laisvojo sluoksnio viduje susidaro įprastas SDW. Atminkite, kad srovės įpurškimas tokiais dvigubais viršutiniais elektrodais yra labai svarbus patikimam SDW įrašymui į Pt / Co bangolaidį (tai yra laisvąjį sluoksnį). Naudojant tik viršutinį elektrodą A, SDW įpurškimas bus atsitiktinis. Esant B elektrodui, nugara žemiau jo bus gerai stabilizuota praeinanti srove, besisukančio jungiklio metu po A elektrodu. Kita vertus, naudojant tokią dviejų elektrodų struktūrą, Co sluoksnyje atsiras nepageidaujama srovė plokštumoje, kaip pažymėta rausvai briaunota linija 6a2 paveiksle ir papildomame 6 paveiksle. Tačiau apatinį elektrodą galima eksperimentiškai pagaminti. daug storesnis nei Pt / Co sluoksnis tikruose prietaisuose, kad plokštumoje esančios srovės ( J y ), tekančios per Pt ir Co sluoksnius, ir apatinio elektrodo sluoksnio tankis būtų daug mažesnis nei statmenos srovės ( J z) ); tai lemtų nedidelį sukimosi pernešimą (Zhang-Li forma 48 ) ir „Spin-Hall“ sukimo momentus 46 dėl magnetinių momentų Co sluoksnyje. Todėl skersinė srovė neturėtų pastebimai paveikti branduolio srities sienelės struktūros (išsamią informaciją žr. 7 papildomame paveiksle). Grioveliai bangolaidžio galuose turi du efektus: jie gali skatinti atvirkštinės srities branduolį ir slopinti SW atspindį ties riba.

SDW (truputį) į bangolaidį (loginę-NE-sritį) įrašyti sunaudojama energija yra ~ 0, 1 pJ (rašymo energijos įvertinimo detalė pateikta papildomos informacijos III skyriuje), tai yra panaši į pastarojo meto reikšmes. pranešta apie sukimosi momento magnetinės laisvosios kreipties atmintį (STT-MRAM), sukonstruotą su besisukančiojo vožtuvo nanopoliais 49 arba magnetinio tunelio jungtimis, 50 naujų magnetinės atsitiktinės prieigos atminties (MRAM), paremtų plokštuminėmis magnetostrikcinėmis nanostruktūromis, 51 ferroelektrinę laisvosios kreipties atmintį (FeRAM). 52 ir pan.

Diskusija

Galiausiai norėtume pateikti papildomų pastabų apie siūlomo bangolaidžio pranašumus. Bangos nukreipimo efektas priklauso nuo potencialo, kylančio iš SDW egzistavimo. Vidinis laukas yra nevienalytis ir suteikia 1D gilų potencialą visoje bangolaidyje; tačiau jis yra tolygus ir tolygus bangolaidžio išilgine kryptimi. Atitinkamai, bangos laidžio SW yra apribotos skersai ir teka išilgai SDW apibrėžto kanalo, kuris sudaro ypač siaurą (10 nm gylio, submikrometro) pluoštą, kurio pluošto plotį nustato šulinio plotis.

Čia SDW sukeltas gimdymo efektas skiriasi savo pobūdžiu nuo ribos sukeltų efektų modeliuotuose ilgojo bango banguose. 23, 53 Jei modeliai yra 1D bangolaidžiai DE sklidimo geometrijoje, nehomogeninis vidinis laukas sukuria du potencialius šulinius, nukreiptus į šoninius fizinius kraštus, ir vieną potencialų barjerą bangolaidžio šerdyje. Tai sukelia didėjantį bangoslaidžio branduolio lūžio rodiklį 54, kuris gali sukelti papildomą SW dispersiją 55 dėl daugiamodelio sambūvio ir plakimo. Be to, nepageidaujamas centrinio režimo išsibarstymas dėl neišvengiamo briaunų šiurkštumo, nes kraštuose nėra nulio precesijos amplitudės, taip pat sukels nepageidaujamą irimą. 13

Kalbant apie mūsų siūlomą bangolaidį, potencialus šulinys slypi bangolaidžio viduje, kur efektyvusis laukas yra mažiausia bangos ilgio reikšmė, o lūžio rodiklis yra didžiausias. F 1 - f 2 dažnio lange (~ kelios dešimtys GHz), režimo sužadinimas neleidžiamas už vidurinio kanalo. T.y., ribojamosiose vietose negali vykti daugiamodelis plakimas ir kraštų išsibarstymas. Tikimasi, kad ši savybė slopins režimo sklaidą ir padidins signalo bangos slopinimo ilgį; taigi, to labai norima realiuose bangų įrenginiuose.

Be demonstruojamo taikymo kanaluojant SW, taip pat galima išvardyti daugiau galimų SDW ar SDW sukeltų gręžinių taikymo kitais aspektais. Pavyzdžiui, SDW gali elgtis kaip virtuali magnetinė riba, šalia kurios vidinis laukas yra labai nevienalytis ir numatomas SW Goos – Hanchen efektas 55, kuris turėtų naudos iš šios sienos nelygumų. Domenų regionuose, nutolusiuose nuo „SDW ribos“, įmagnetinimas yra normalus mėginio paviršiui, taigi yra įvykdyta pirmyn tūrio SW sklidimo geometrija 42 . Šioje sklidimo geometrijoje lengviau nustatyti Gooso – Hancheno poslinkį ties izotropinės SW dispersijos riba nei anizotropinę SW dispersiją kitose sklidimo geometrijose. Be to, magnetiniai pavyzdžiai, kuriuose SDW rinkinys periodiškai ir lygiagrečiai supakuojamas, turėtų atlikti magnoninio juostos kristalo kristalo 56 vaidmenį, nes mėginyje yra vidinis lauko periodiškumas. Ryškus kontrastas tarp SDW ir juostinių sričių regionų efektyviame lauke žada didelį magnetinės juostos atotrūkį. 1

Apibendrinant, mikromagnetiniais modeliavimais pademonstruojame, kad chiraliniai SDW ultra plonuosiuose magnetuose su indukuotu DMI gali sukelti 10 nm pločio gilųjį potencialą. Dėl šulinio ištisinio ir vienodumo išilgai SDW, galima pasiekti SW nukreipimą išilgai SDW. Dėl to bangolaidžio, sudaryto iš chiralinių magnetų, viduje sukuriamas ypač siauras (~ 10 nm) SW kanalas. Tokiu būdu mes suvokiame savaiminio apvalkalo optinio pluošto pavidalo magnoninį bangolaidą, turintį „laipsnišką lūžio rodiklį“. Šis bangolaidis yra naudingas keliais aspektais, palyginti su dažnai naudojamais SW pločio bangolaidžiais. 53 Pirma, taip galima išvengti kraštų išsibarstymo 13, atsirandančio dėl kraštų nelygumų, ir papildomos dispersijos 55 dėl daugiamodelio santakos ir plakimo bangos banguotose juostose. 53 Be to, SDW būsena, vedanti į uždarantį šulinį, todėl nukreipimo efektas yra nepastovus, tai yra, kad jo buvimas nepriklauso nuo pritaikyto lauko. Remdamiesi būsenos moduliuotu SW sklidimu siūlomame bangolaidyje, mes sukonstruojame loginius NOT ir NAND vartus, kurių įvestis ir išėjimas yra atitinkamai koduojami į varto svirties sukinio būseną ir signalo SW amplitudę. Mes taip pat sukūrėme patobulintą rašymo schemą, galinčią patikimai įrašyti SDW per subtiliai paskirstytus srovės įpurškimo blokus. Šis tyrimas atveria kelią magoninių loginių schemų ir skyrmiono pagrindu sukurtų lenktynių trasų atsiminimų sujungimui. 27, 28

Papildoma informacija

PDF failai

  1. 1.

    Papildoma informacija

    Papildoma informacija pridedama prie dokumento „NPG Asia Materials“ svetainėje (//www.nature.com/am)