DE2130442A1

DE2130442A1 - Anordnung zum UEbertragen einwandiger Domaenen

Info

Publication number: DE2130442A1
Application number: DE19712130442
Authority: DE
Inventors: Copeland Iii John Alexander
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1970-06-24
Filing date: 1971-06-19
Publication date: 1971-12-30
Also published as: IE36253B1; NL7108429A; ES393083A1; GB1354770A; IE36253L; US3636531A; BE768895A; FR2099838A5; CH544374A

Description

WESTERN ELECTRIC COMPANY INCORPORATED COPELAND III - 15 -

New York

Anordnung zum Übertragen einwandiger Domänen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Übertragen einwandiger Domänen mit einer Scheibe aus einem zur Führung von einwandigen Domänen geeigneten Material und einer Übertragungsschaltung, mit der eine Bewegung bzw. Übertragung . der einwandigen Domänen in der Scheibe von Position zu Position zwischen Eingangs- und Ausgangspositionen bewirkbar ist.

Eine einwandige Domäne ist ein magnetischer Bezirk, der durch eine einzige, in sich geschlossene Domänenwand begrenzt ist und sich in der Übertragungsebene eines Materials frei bewegen kann. Ein typisches Material für eine derartige Anordnung ist ein Orthoferrit der seltenen Erden oder ein Granatkristall mit einer bevorzugten Magnetisierungsrichtung längs einer die Bewegungsebene durchstoßenden, nominell normal zur Bewegungsebene verlaufenden Achse. Es ist zweckmäßig, eine Richtung längs dieser Achse (d.h. die positive Richtung) als die Magnetisierungsrichtung der Domäne zu bezeichnen, während das Umgebungsmaterial eine negative magnetische Polarisationsrichtung hat. Bei einer solchen Übereinkunft kann eine Domäne als in einem Feld von negativen Zeichen eingeschlossenes Pluszeichen oder einfach als Kreis dargestellt

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werden. Eine einwandige Domäne und eine Anordnung zum Steuern solcher Domänen ist in der US-PS 3 460 116 beschrieben.

Einwandige Domänen werden in einer Materialscheibe vorzugsweise durch ein Vorspannungsfeld mit nach der vorstehenden Konvention negativer Polarität auf einen vorgegebenen Durchmesser gezwungen. Die Domänenbewegung in der Scheibe bzw. Platte wird von einem Feld (d.h. einem Peldgradienten) hervorgerufen, das an fortlaufend gegeneinander versetzten Positionen von der durch eine Domäne eingenommenen Position vorgesehen ist.

Die Domänen-bewegende Feldgradienten werden durch Impulse hervorgerufen, welche an eine Reihe von Leiterschleifen an der Oberfläche des die Domänen führenden Materials angelegt werden. Durch Pulsen einer Folge von Leitern, die fortlaufend gegenüber der von einer Domäne eingenommenen Position versetzt sind, werden fortlaufend versetzte Feldgradienten entwickelt, welche eine Domänenverschiebung bewirken. In der praktischen Ausführung sind die Leiter miteinander in drei Gruppen zusammengeschaltet, um einen üblichen Dreiphasen-Schieberegisterbetrieb für die Domänenmuster zu bewirken. Eine Übertragungsanordnung dieser Art ist in der oben genannten US-PS 3 460 angegeben.

Generell wird Information in einem Domänen-Übertragungskanal in Binär-Form dadurch dargestellt, daß das Vorhandensein einer

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Domäne an einer bestimmten Position eine "Eins" und das Fehlen einer Domäne eine "Null" bedeutet. Bei einer solchen Anordnung kann eine Domäne während der Übertragung von einer Position in eine benachbarte Leerstelle überwechseln, wodurch ein doppelter Fehler in der gespeicherten Information hervorgerufen wird. Außerdem ist es zum Ändern einer derart gespeicherten Information erforderlich, Domänen entweder neu zu erzeugen oder zu beseitigen. Solche Operationen erfordern zusätzliche Schaltelemente und außerdem Eingangsströme, die erheblich größer als die zur Übertragung von Domänen benötigten Ströme sind. Darüber hinau^r ί ^ct der Minimalabstand zwischen den Domänen wegen der zwischen diesen wirksamen gegenseitigen Abstoßkräfte in der Größenordnung von vier Domänendurchmessern in einem Material mit niedriger Koerzitivkraft.

Das Hauptproblem bei bekannten Anordnungen liegt darin, daß sie keine Möglichkeit zur Reduzierung des Minimalabstandes zwischen aufeinanderfolgenden Positionen oder der Einsparung der Schaltung zum Erzeugen und Beseitigen von Domänen bieten.

Ausgehend von einer Anordnung der eingangs angegebenen Art schlägt die Erfindung zur Lösung dieses Problems vor, daß die Anordnung zusätzlich eine in jeder Domänenposition eine G^-ntc und eine zweite stabile Stelle für eine Domäne definierende Einrichtung aufweist, die im Zusammenwirken mit

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der Übertragungsschaltung die Domänen zwischen gleichen Stellen in aufeinanderfolgenden Positionen übertragen kann·

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert· In der Zeichnung zeigen:

Fig· 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungs—

form der neuen Anordnung zum Übertragen eink wandiger Domänen;

Fig. 2

und 3 schematische Darstellungen eines Teils der Anordnung nach Fig· 1, wobei deren magnetische Betriebsbedingung gezeigt ist; und

Fig. 4 eine Querschnittsansicht eines Teils der in Fig. gezeigten Anordnung.

Ein Übertragungskanal für einwandige Domänen ist in einem platten- oder scheibenförmigen Material, in welchem Domänen fc bewegt werden können, durch einen Streifen aus magnetisch weichem Material definiert, der an bzw, nahe der Oberfläche der Scheibe angeordnet ist und sich von einer Eingangsstelle bis zu einer Ausgangsstelle erstreckt. Das Verhältnis der Dicke zur Breite des Streifens ist so gewählt, daß eine stabile Stelle für eine Domäne an jeder seiner Seiten definiert ist· Ein Paar verschachtelt angeordneter Leiter ist den Streifen mehrfach kreuzend angeordnet und definiert eine Folge von Positionen, von denen jede ein Paar jener Stellen umfaßt. Wenn die Leiter abwechselnd gepulst werden, bewegen sich

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Domänen zu gleichen Stellen aufeinanderfolgender Stellenpaare.

Eine alternative Ausführungsform besteht darin, daß ein Einzelleiter zum Bewegen der Domänen verwendet wird. Permal loy-Punkte oder Ausnehmungen werden dabei verwendet, um die mit Hilfe des Leiters bewegten Domänen zu versetzen, wobei sie entsprechend einem zweiten Leiter wirksam sind.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung zum Übertragen einwandiger Domänen mit einer Scheibe oder Platte 11, in der ein repräsentativer Kanal für die Domänenbewegung definiert ist. Der Kanal umfaßt einen magnetisch weichen Streifen 12, beispielsweise aus Permalloy niedriger Koerzitivkraft, der mit der durch die strichpunktierte Linie 13 in Fig. 1 dargestellten Kanalachse ausgerichtet ist. Die Kanalachse ist zum Herstellen eines Informationsumlaufs als geschlossene Schleife vorgesehen. Der Streifen 12 wird mehrfach durch elektrische Leiter 14 und 15 gekreuzt, die gegeneinander versetzt sind und in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Schlangenliniengeometrie haben. Die Leiter sind zweckmäßigerweise auf entgegengesetzten Seiten einer Kunststoffunterlage und angrenzend an die Platte 11 angeordnet.

Die sich wiederholenden Muster der Leiter definieren aufeinanderfolgende Positionen der einwandigen Domänen längs des Kanals. Die einwandigen Domänen sind in Fig. 1 mit D bezeichnet.

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Der Permälloy-Streifen 12 definiert an jeder seiner Seiten eine stabile Stelle für eine Domäne, und zwar an jeder von den Leitern definierten Position. Daher können die in der Ansicht gemäß Fig. 1 unter dem Streifen 12 liegenden Stellen zur Darstellung einer binären Null und die oberhalb des Streifens gelegenen Stellen als binäre Eins definiert werden. Bei Betrieb werden normalerweise alle der binären Null zugeordneten Stellen von Domänen zum Umlauf in der Schleife 13 belegt, wenn die Leiter 14 und 15 abwechselnd zunächst mit positiven und danach mit negativen Impulsen gepulst werden. Wenn eine binäre Eins an einer besonderen Position benötigt wird, so wird die die der Null zugeordnete Stelle belegende Domäne an dieser Position zu der einer Eins entsprechenden Stelle bewegt, wie dies in Fig. 2 für die Domäne D gezeigt ist.

Die Bewegung einer Domäne von einer einer Null zugeordneten Stelle zu einer "Eins"-Stelle wird durch eine Eingangsleitung 20 bewirkt. Die Leitung 20 ist zwischen einer Eingangsimpulsquelle 21 (Fig. 1) und Erde eingeschaltet. Wenn ein Impuls mit einer für das Einschnüren der Domänen geeigneten Polarität von der Quelle 21 an die Leitung 20 angelegt wird, wird die Domäne D (Fig. 2) zu einer "Eins"-Stelle getrieben. Wenn ein Impuls mit einer domänen-anziehenden Polarität angelegt wird, bewegt sich die Domäne D zu der in Fig. 3 gezeigten "Null'^Stelle. Eine selektive Betätigung der Leitung 20 führt ein Domänenmuster an den ersten und zweiten

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Stellen für eine Bewegung durch fortlaufend gegeneinander versetzte Felder ein, wenn die Leiter 14 und 15 gepulst werden, und stellt demgemäß eine Binär-Information im Kanal dar.

Die so gebildete und im Kanal bewegte Information wird an einer mit einem Kreuz markierten Ausgangs- bzw. Ausgabestelle bestimmt. In der Praxis wird eine übliche elektrische Sonde so angeordnet, daß sie den Durchlauf einer Domäne an einer "Eins"-Stelle an der Ausgangsposition anzeigt. Die Sonde kann eine einfache Leiterschleife oder ein Hall-Meßfühler sein, oder die Messung wird durch optische Einrichtungen, z. B. unter Ausnutzung des Faraday- oder Kerr-Effekts durchgeführt. Derartige alternative Ausführungsformen sind bekannt und werden im Rahmen der vorliegenden Anmeldung nicht im einzelnen erläutert. Ein auf diese Weise erzeugtes Signal wird einer Verbraucherschaltung 24 (Fig. 1) zugeführt.

Der Durchmesser einer Domäne in der Anordnung nach Fig. 1 wird durch ein Vorspannungsfeld, das aufgrund seiner Polarität die Domänen einschnürt bzw. zusammendrückt, auf einem Sollwert gehalten. Eine ein solches Feld erzeugende Quelle ist in Fig. 1 durch den Block 25 dargestellt. Die Quellen und 25 und die Schaltung 24 sind an eine der Synchronisation und Steuerung dienende Steuerschaltung 26 angeschlossen.

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Es ist von Bedeutung, daß ein Übertragungskanal gemäß der Erfindung eine Vielzahl aufeinanderfolgender Domänen-Positionen umfaßt, von denen jede erste und zweite stabile Stellen aufweist, die gegeneinander seitlich versetzt sind und dadurch ein Stellenpaar für. jede Position bilden. Die Gruppen der ersten und zweiten Stellen in einem einzigen Übertragungskanal definieren ihrerseits zugehörige Binäreinsbzw . Binärnull-Kanäle.

Aus dieser neuen Anordnung ergeben sich verschiedene Vorteile, Zunächst besteht keine Notwendigkeit, Domänen zu erzeugen oder zu beseitigen. Vielmehr können binäre Nullen umlaufen gelassen werden und brauchen nur zu den zugehörigen "Eins"-Stellen zum Darstellen der Information verschoben werden. Zweitens wird ein nur relativ geringer Strom zur Verschiebung einer Domäne benötigt. Da eine seitliche Bewegung von Domänen gesperrt ist und die längs des Kanals wirkenden gegenseitigen Abstoßkräfte sich zwischen den vorhergehenden und nachfolgenden Domänen jeweils aufheben, ergibt sich drittens eine Informationsverlusten entgegenwirkende relativ starre Struktur, die zu einer Erhöhung der erzielbaren Besetzungsdichten führt. Als Ergebnis werden Mindestdomanenabstande von zwei Domänendurchmessern erreicht.

Die Realisierung von zwei stabilen Stellen an jeder Bit-Position hängt von dem Verhältnis von Dicke zu Breite des Permalloy-Streifens und dem Verhältnis der Breite des

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Permalloy-Streifens zum Durchmesser der zu bewegenden Domäne ab. Wenn das Verhältnis von Dicke zu Breite des Permalloy-Streifens nicht kleiner als das Verhältnis der Domänenmagnetisierung zur Permalloy-Magnetisierung ist, besetzen die Domänerv^ositionen direkt unterhalb des Permalloy-Streifens anstatt in den ersten oder zweiten stabilen Positionen. Der Grund hierfür liegt darin, daß die internen Entmagnetisierungsfelder in dem Permalloy-Streifen, die proportional zum Produkt der Permalloy-Magnetisierung und der Dicke des Streifens, geteilt durch die Breite des Streifens sind, über den größten Teil des Streifenvolumens kleiner als das externe Entmagnetisierungsfeld der Domäne sein müssen, um ein Energieainimum zu vermeiden, wenn eine Domäne eine Position direkt unter dem Streifen einnimmt.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch die Platte 11 und die Leiter 14 und 15 entlang der Linie 4-4 in Fig. 3. Die beiden stabilen Positionen sind als "1" und "0" Seiten angegeben. Die Domäne ist auf der "O"-Seite mit ihrer Wand unter dem Streifen 12 gezeigt.

Die seitliche Lage- der Domäne ist stabil, wenn die Länge der Domänenwand unterhalb des Permalloy-Musters auf einem lokalen Maximum ist. Für einen einzelnen Permalloy-Streifen gibt es zwei stabile seitliche Positionen nur dann, wenn die Breite des Streifens kleiner als der Durchmesser ist.

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Die Größe der zur Bewegung einer Domäne von der "NuIl"-zur "Eins"-Stellung erforderlichen Kraft ist am höchsten, wenn die Streifenbreite etwa gleich der Hälfte des Domänendurchmessers ist, so daß diese Breite für Kanalabschnitte optimal ist, in denen nur eine Domänenübertragung stattfindet. Eine Verringerung der Streifenbreite auf etwa 20 % des Domänendurchmessers ist an den Ausgangspositionen vorteilhaft, um die seitliche Trennung zwischen den ^MNull"- und "Eins"-Stellungen zu vergrößern.

Eine Vergrößerung der Streifenbreite auf etwa 70 % des Domänendurchmessers ist an den Eingangspositionen vorteilhaft, um den für die Verschiebung der seitlichen Lage der Domäne benötigten Strom zu verringern·

In der praktischen Ausführung kann die Platte 11 in Ersatz des Streifens 12 genutet sein (Nut 30 in Fig. 4).

Bei einem illustrativen Ausführungsbeispiel werden Domänen mit einem Durchmesser von 100 Mikrometer in einer Scheibe aus Thuliura-Orthoferrit von 50 Mikrometer Dicke bewegt, wobei jede Domäne eine Magnetisierung von 0,01 Weber pro Quadratmeter hat· Der Übertragungskanal ist durch einen Permalloy-Streifen mit einer (Magnetisierung von 0,8 Weber pro Quadratmeter und einer) Koerzitivkraft von 300 A/m (weniger als vier Oe), einer Breite von 50 Mikrometer und einer Dicke von

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50 Nanometer gebildet. Ein Vorspannfeld von 2000 A/m hält den Domanendurchnies ser aufrecht, und Ströme von etwa 50 Milliamperes rufen die Domänenbewegung hervor. Die Domänen haben während des Betriebs einen gegenseitigen Abstand von etwa 200 Mikrometer. Schreibströme von etwa 40 Milliamperes werden verwendet.

Das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel kann in vielfacher Hinsicht abgewandelt werden. So kann beispielsweise eine andere Leiter—Konfiguration wie diejenige gemäß den Fig. 2 und 3 zum Hervorrufen der Felder verwendet werden. Außerdem reicht eine Hälfte der Anordnung (d. h. ein Binär-Eins-Kanal) aus, um die Vorteile der Erfindung nutzbar zu machen.

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Claims

Patentansprüche

(l/L Anordnung zum Übertragen einwandiger Domänen mit einer Scheibe aus einem zur Führung von einwandigen Domänen geeigneten Material und einer Übertragungsschaltung, mit der eine Bewegung bzw. Übertragung der einwandigen Domänen in der Scheibe von Position zu Position zwischen Eingangs- und Ausgangspositionen bewirkbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zusätzlich eine in jeder Domänen-Position eine erste und eine zweite stabile Stelle (D in Fig. 2 und 3) für eine Domäne definierende Einrichtung (12) aufweist, die im Zusammenwirken mit der Übertragungsschaltung (14, 15) die Domänen zwischen gleichen Stellen in aufeinanderfolgenden Positionen übertragen kann.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch geken nzeichnet, ' daß die Einrichtung (12, 30) zum Definieren

P einer ersten und einer zweiten stabilen Stelle einen Permalloy-Streifen (12) aufweist, der sich zwischen den Eingangs- und Ausgangspositionen erstreckt und dessen Dicke und Breite so gewählt sind, daß die erste und die zweite Stelle auf jeder seiner Seiten definiert sind.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß jede der Domänen (D) eine erste Magnetisierung und der Permalloy-Streifen (12) eine zweite Magne-

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tisierung hat, wobei das Verhältnis der Dicke zur Breite des Streifens (12) kleiner als das Verhältnis der ersten zur zweiten Magnetisierung ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Permalloy-Streifen (12) eine solche Geometrie besitzt, daß das innere Entmagnetisierungsfeld kleiner als das Entmagnetisierungsfeld einer Domäne (D) in der Materialscheibe (11) ist.
5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Permalloy-Streifens (12) kleiner als der Durchmesser einer Domäne (D) in der Materialscheibe (11) ist.
6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Breite des Permalloy-Streifens (12) gleich dem Radius einer Domäne (D) in der Materialscheibe (11) ist.
7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Definieren der ersten und zweiten stabilen Stellen durch eine Nut (30) in der Materialscheibe (11) gebildet ist, die sich zwischen den Eingangs- und Ausgangspositionen erstreckt.

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¹⁴ 2130ΛΛ2
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Einrichtung (12, 30) zum Definieren erster und zweiter stabiler Stellen an der Ausgangsposition kleiner als an jeder anderen Position ist.
9· Anordnung nach einem der Ansprüche 2, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Breite der eine erste ™ und zweite stabile Stelle definierenden Einrichtung (12, 30) an der Eingangsposition größer als an allen anderen Positionen ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 2, 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsanordnung eine Schaltung (20, 21) zum selektiven Bewegen der Domänen zwischen den ersten und zweiten stabilen Stellen an der Eingangsposition und eine Einrichtung (24) zum selektiven Bestimmen der Domänen an der Ausgangsposition aufweist.

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