CN106206935A - 一种控制自旋波传输的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制自旋波传输的方法，该发明属于自旋电子学领域。本方法通过在自旋波波导结构上施加电场，可以有效改变磁性波导材料内部交换作用强度。通过电场控制交换常数大小，可以达到调控自旋波色散关系进而实现控制自旋波传输的目的。本发明通过电场控制交换作用，可以超低功耗实现对自旋波传输的局部精确控制，为超低功耗、CMOS工艺流程兼容的磁振子学器件实际应用提供了可能。

Description

一种控制自旋波传输的方法

技术领域

本发明属于自旋电子技术领域，更具体地，涉及一种控制自旋波传输的方法。

背景技术

磁振子学(magnonics)以其独特的优势被公认为是后COMS时代最具潜力的信息传输和处理技术。在磁振子学中，承载信息的是电子自旋的集体进动即自旋波而非耗散性电荷移动。原理上讲，磁子(自旋波的量子)允许在不移动任何实物粒子的前提下实现信息的传输和处理，因而是没有焦耳热耗散的。在磁振子学中，信息可以编码在自旋波的振幅和相位，因而对自旋波传播的有效控制成为推进磁振子学实际应用的核心所在。近年来，涌现了一大批基于自旋波振幅或相位的逻辑器件，然而，到目前为止，其绝大多数逻辑功能实现依赖于电流的奥斯特场来改变自旋波色散关系以实现对自旋波传输的控制。

图1(a)为一种利用磁场控制自旋波传输的典型结构，其利用载流线中电流产生的附加奥斯特场改变有效偏置场的大小，从而实现对自旋波色散关系的调控以控制自旋波传输。

然而，磁场控制具有一些固有的缺陷和问题：首先，通过载流线产生局部奥斯特场将会使器件结构复杂化(特别是在弯曲波导的设计中)，而载流线持续耗散***功率将会抵消磁振子学器件的低功耗优势。其次，局域奥斯特场的空间分布不均匀性和相邻波导分支的杂散场将会导致***的低可靠性和高误码率。因而，如何通过简单的设计高效节能地实现自旋波传输的控制，仍然为本领域的一个技术难点。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了基于电场的自旋波传输控制方法，通过施加电场，调节磁性波导材料内部交换作用强度，进而调控自旋波的色散关系，实现对自旋波传输的电场精确调控，由此解决传统磁场控制手段存在的设计复杂、高能耗和***可靠性低下等技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种电场控制自旋波传输的方法，所述方法包括，在自旋波波导结构上施加电场，通过改变电场强度可以有效改变磁性波导材料内部交换作用强度。通过电场控制交换常数大小，可以调控自旋波色散关系，改变自旋波的波数、相速、波长和群速，从而实现控制自旋波传输的目的。

优选地，所述电场可以通过自旋波波导结构引入：第一电极/第一绝缘层/自旋波波导材料/第二绝缘层/第二电极，或第一电极/第一绝缘层/自旋波波导材料/第二电极，或第一电极/自旋波波导材料/第二绝缘层/第二电极，或第一电极/自旋波波导材料/第二电极，通过在所述两电极间施加电压可以引入法向电场，调节电压可以改变电场强度。理论上，电场可以沿任意方向施加，但当电场垂直于自旋波波导平面时调控效应最为显著。

具体地，增大第一电极和第二电极间电压，沿自旋波波导平面法向的电场强度随之增大，波导材料内部交换作用强度相应减弱，从而沿波导传播的自旋波的波数增大，波长减小，相速增大。换言之，自旋波的传播参数随电场强度变化而单调变化，这种电场调控效应可以用于实现对自旋波传输的控制。

优选地，所述波导材料可以是铁磁金属单质，或铁磁合金，或稀磁半导体，或磁性绝缘体，或半金属材料，或多铁材料。

优选地，所述自旋波激发模式可以是反向体波(the forward volume wave，FV)或前向体波(the backward volume wave，BV)或表面波(surface wave)结构。具体而言，反向体波中，材料沿面内磁化，且外加偏置磁场平行于波矢前向体波中，外加偏置磁场垂直于波导平面施加，波矢方向在面内；表面波中，外加偏置磁场和波矢方向均在面内且互相垂直，其群速度和相速度具有相同的方向。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)电流的奥斯特场控制方式属于“常开型”，在器件工作过程中，电流持续流过产生磁场的载流线产生焦耳热；而在电场控制模式中器件属于“常关型”，除去控制状态切换过程中的电容充放电功耗，器件几乎不从***吸收额外功耗。因而通过电场控制自旋波传输可以规避传统磁场控制所固有的高能耗、低功效问题；

(2)通过平行板电容器引入电场可以适应复杂的波导形状设计需求，获得全局均一的控制，亦可实现局部精确控制；而在传统磁场控制中电流的奥斯特场的空间分布具有非均匀性，而且相邻控制磁场间易产生相互串扰。因而采用电场控制大大减小了磁振子学器件设计的复杂度；

(3)采用电场控制可以借鉴成熟的CMOS电场控制技术，同时可以促进磁振子学器件与CMOS器件的兼容性，加速推进磁振子学的实用化进程。

附图说明

图1(a)为传统的奥斯特场控制自旋波传输的结构原理示意图，图1(b)为本发明提供的电场控制自旋波的结构原理示意图。

图2是自旋波的三种激发模式原理示意图：(a)反向体波，(b)前向体波，(c)表面波。

图3(a)为本发明实施例1中VASP模拟的模型原理图，图3(b)为本发明实施例1中模型在0.0(黑色曲线)和5V/nm(灰色曲线)条件下面平均电势分布。

图4为本发明实施例1中交换常数随电场强度变化曲线。

图5为本发明实施例2中微磁模拟模型原理图。

图6为本发明实施例2中自旋波的空间域特性，图(a)-(f)分别对应0，1V/nm，2V/nm，3V/nm，4V/nm，5V/nm。

图7(a)为表面自旋波波数k和波长λ随电场变化曲线，图7(b)为自旋波色散关系曲线(交换过xy轴)，从下到上各分支依次对应0，1V/nm，2V/nm，3V/nm，4V/nm，5V/nm情形。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种电场控制自旋波传输的方法，通过改变施加在自旋波波导结构上的电场强度可以有效改变磁性波导材料内部交换作用强度。通过电场控制交换常数大小，可以达到调控自旋波色散关系进而实现控制自旋波传输的目的。

本发明提供的调控自旋波传输的方法具体为：通过在自旋波波导结构上施加电场来调控自旋波色散关系，实现对自旋波传输的控制。

其中，对自旋波传输的控制具体包括：对自旋波的波长、相速、波数或群速度的控制。具体地，增大第一电极和第二电极间电压，沿自旋波波导平面法向的电场强度随之增大，波导材料内部交换作用强度相应减弱，从而沿波导传播的自旋波的波数增大，波长减小，相速增大。

在本发明实施例中，电场可以沿任意方向施加，但当电场垂直于自旋波波导平面时调控效应最为显著。优选地，施加在所述自旋波波导结构上的所述电场的方向为：沿自旋波波导平面法向。

在本发明实施例中，自旋波波导结构包括：依次设置的第一电极层、自旋波波导材料层和第二电极层。

作为本发明的一个实施例，自旋波波导结构还包括：设置在所述第一电极层与所述自旋波波导材料层之间的第一绝缘层。

作为本发明的一个实施例，如图1(b)所示，自旋波波导结构还包括：设置在所述第二电极层与所述自旋波波导材料层之间的第二绝缘层。

其中，自旋波波导材料层的材料为铁磁金属单质、铁磁合金、稀磁半导体、磁性绝缘体、半金属材料或多铁材料。

图2示出了，自旋波的三种激发模式原理示意图：(a)反向体波，(b)前向体波，(c)表面波；自旋波激发模式可以是反向体波(the forward volume wave，FV)或前向体波(thebackward volume wave，BV)或表面波(surface wave)结构。具体而言，反向体波中，材料沿面内磁化，且外加偏置磁场平行于波矢前向体波中，外加偏置磁场垂直于波导平面施加，波矢方向在面内；表面波中，外加偏置磁场和波矢方向均在面内且互相垂直，其群速度和相速度具有相同的方向。

下面通过具体实施例的阐述，以进一步说明本发明实质性特点和显著的进步，但本发明绝非仅限于实施例。

实施例1

本实施例通过第一性原理计算揭示了磁性波导在沿波导平面法向电场作用下交换作用强度变化规律。

计算采用模型如图3(a)所示，为3层bcc Fe(001)原子层，其真空层厚度为沿c轴方向的电场通过偶极层方法引入，施加电场强度范围为-5V/nm到5V/nm。计算基于第一性原理VASP软件包进行，交换积分J通过反铁磁态和铁磁态的能量差推导得出。

为简化描述，将图3(a)中铁原子从左到右依次标记为1，2，3。仅考虑最近邻交换作用，可以得到铁磁态能量E_F和反铁磁态能量E_AF分别为：

E_F＝E_nm-8JS₁S₂-8JS₂S₃

$E_{AF}=E_{nm}+8{\mathrm{JS}}_1^{*}{S}_2^{*}+8{\mathrm{JS}}_2^{*}{S}_3^{*}$

其中Enm为总能量的非磁性部分，J是交换积分，S_i 是铁磁态(反铁磁态)结构原子i的总自旋(以为单位)。

由上述两式可得，交换积分的表达式唯象参数交换常数A可以通过以下公式与海森堡模型中微观参数交换积分J建立联系，对于体心立方结构A＝2JS²/a；其中a为晶格常数，交换劲度D为D＝2JSa²；模拟所得交换积分J，交换常数A，交换劲度D随电场变化结果如下表1所示。

表1

如图4中第一性原理计算结果所示，结果表明，3层Fe(001)薄膜的交换常数在垂直于薄膜表面的电场作用下确实发生了变化。相比于已知的线性磁电效应例如电场调制磁各向异性、电场调制饱和磁化强度，电场对交换常数表现出十分明显非线性调制作用。具体而言，计算所得零场交换常数为1.85×10^-11J/m，与从bcc Fe的居里温度推导所得值(1.88μerg/cm)完美契合。随着外加电场强度的增加，交换常数快速减小。特别地，当外加电场强度为5V/nm时，交换常数减小了约80％。

由此说明，通过外加电场实现对交换作用强度的调制是可行的，而且交换常数的电场调制效应是十分显著的。

实施例2

本实施例通过微磁模拟揭示了电场调制交换作用对自旋波传输的影响，自旋波波数、相速、波长相应的变化规律，证实利用电场调控交换常数控制自旋波传输的可行性。

模拟采用基于LLG方程的OOMMF软件包进行，计算特别考虑了电场调制交换作用效应：

$\frac{d\stackrel{\→}{m}}{dt}=-\frac{\left|\mathrm{\γ}\right|}{1+{\mathrm{\α}}^2}\stackrel{\→}{m}\×({\stackrel{\→}{H}}_{eff}+\mathrm{\α}\stackrel{\→}{m}\×H_{eff})---\left(6\right)$

其中为归一化磁化矢量，M_s为饱和磁化强度，α为吉尔伯特衰减因子，γ为吉尔伯特旋磁比。为有效场，包括海森堡交换场，磁各向异性场，退磁场和外加偏置磁场，可以表示为：

${\stackrel{\→}{H}}_{eff}=\frac{2A\left(\stackrel{\→}{E}\right)}{M_s}{\▿}^2\stackrel{\→}{m}+\frac{2K}{M_s}(\stackrel{\→}{m}\·\stackrel{\→}{c})\stackrel{\→}{c}+{\stackrel{\→}{H}}_d+{\stackrel{\→}{H}}_{ext}$

其中交换常数是电场依赖的。计算采用的模型如图5所示，模拟了电场对表面波传输的影响，其中波导为500×500×0.2866nm³的薄膜平面波导，沿y轴方向施加偏置磁场大小μ₀H₀＝1T，角频率为4×10¹¹rad/s的正弦微波源用于激发沿x方向传播的表面波，模拟采用了Fe的典型参数值：

(1)饱和磁化强度M_S＝1.75×10⁶A/m；

(2)吉尔伯特衰减因子α＝0.03；

(3)吉尔伯特旋磁比γ＝2.211×10⁵m/(A·s)；

(4)各向异性常数K＝0(忽略了立方晶系Fe相对较小的磁各向异性能)。

零场和5V/nm电场下铁的临界交换长度分别为3.1nm和1.3nm，由于最大网格单元尺寸不允许超过临界交换长度，离散化网格尺寸选为1nm×1nm×0.2866nm，并且在xy平面内应用了二维周期性边界条件。

法向电场作用下表面自旋波的空间域特性如图6(a-f)所示，显然随着电场强度从0增加到5V/nm波数相应有所增加。换言之，表面自旋波的相速和波长可以通过外加电场改变。特别地，相比于零场，5V/nm的电场可以将自旋波波长减半。

考虑交换作用后，在有限尺寸铁磁薄膜内表面自旋波色散关系的解析形式为其中ω_ex＝ω₀+λ_exω_Mk²，ω₀＝γμ₀H₀，ω_M＝γμ₀M_s，d为薄膜厚度。图7(b)为考虑了电场调制交换常数效应后的色散关系曲线。随着外加电场强度增加，交换作用减弱，在ω-k视图中色散曲线分支相应下移。对于给定的载波频率，这将导致波数增加。详细的模拟计算结果如表2所示。

表2

电场强度(V/nm)	λ(nm)	k(×109rad/m)	kth(×109rad/m)
				0	45.170	0.139	0.139
±1	44.768	0.140	0.141
				±2	43.300	0.145	0.148
±3	38.217	0.164	0.164
				±4	29.967	0.210	0.199
±5	19.621	0.320	0.313

由此说明，通过外加电场调制交换作用强度可以有效调控表面自旋波色散关系，实现对自旋波波数、相速、波长和群速的有效调控，因而外加电场可以有效控制表面自旋波传输。

实施例3

偏置磁场在面内沿x方向，其它同实施例2。结果表明，通过外加电场调制交换作用强度可以有效调控反向体波的色散关系，实现对自旋波波数、相速、波长和群速的有效调控，因而外加电场可以有效控制反向体波的传输。

实施例4

磁场垂直于波导平面沿z方向施加，其它同实施例2。，通过外加电场调制交换作用强度可以有效调控前向体波的色散关系，实现对自旋波波数、相速、波长和群速的有效调控，因而外加电场可以有效控制前向体波的传输。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种控制自旋波传输的方法，其特征在于，通过在自旋波波导结构上施加电场来调控自旋波色散关系，实现对自旋波传输的控制。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对自旋波传输的控制具体包括：对自旋波的波长、相速、波数或群速度的控制。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，施加在所述自旋波波导结构上的所述电场的方向为：沿自旋波波导平面法向。

4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述自旋波波导结构包括：依次设置的第一电极层、自旋波波导材料层和第二电极层。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述自旋波波导结构还包括：设置在所述第一电极层与所述自旋波波导材料层之间的第一绝缘层。

6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述自旋波波导结构还包括：设置在所述第二电极层与所述自旋波波导材料层之间的第二绝缘层。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述施加电场会改变波导材料内部的交换作用强度，从而改变自旋波色散关系，实现对自旋波传输的控制。

8.如权利要求4-7任一项所述的方法，其特征在于，所述自旋波波导材料层的材料为铁磁金属单质、铁磁合金、稀磁半导体、磁性绝缘体、半金属材料或多铁材料。

9.如权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，自旋波的激发方式为前向体波模式、反向体波模式或表面波模式。