一種具有選擇性濾波特性的自旋波起偏器的制作方法

本發(fā)明屬于磁性器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有選擇性濾波特性的自旋波起偏器。

背景技術(shù)：

自旋是繼現(xiàn)代以電子，光為信息載體的下一代信息技術(shù)的理想信息載體。自旋波是磁性絕緣材料中磁的激發(fā)態(tài)，可有效的攜帶自旋信息。不同于磁性導(dǎo)體材料中攜帶自旋信息的導(dǎo)電電子，自旋波的傳輸基于鐵磁絕緣材料，不需要借助于電子在原子間的移動(dòng)，因此能更加有效的減小傳輸過程中的損耗。同時(shí)自旋波易激發(fā)，易檢測，信息存貯密度大，功耗小，易耦合，與現(xiàn)有工業(yè)技術(shù)整合性好。

構(gòu)建處理自旋信息的基礎(chǔ)部件如自旋波二極管，自旋波三極管以及自旋波起偏器等是構(gòu)建更為復(fù)雜的自旋信息功能器件和自旋信息功能系統(tǒng)的關(guān)鍵。自旋波起偏器是一種具有最簡單結(jié)構(gòu)的調(diào)控自旋波偏振狀態(tài)的基礎(chǔ)部件。在反鐵磁（或人工反鐵磁）系統(tǒng)中，信息“1”和“0”可分別與自旋波的不同偏振狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，對(duì)自旋波偏振狀態(tài)的調(diào)控意味著實(shí)現(xiàn)了對(duì)信息的處理。目前為止尚未有對(duì)自旋波偏振狀態(tài)進(jìn)行調(diào)制的器件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種具有選擇性濾波特性的自旋波起偏器。

本發(fā)明提供的自旋波起偏器，是在具有DMI(Dzyaloshinskii-Moriya Interaction,Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用)效應(yīng)的反鐵磁材料（或人工反鐵磁結(jié)構(gòu)）上構(gòu)造的磁結(jié)構(gòu)，利用磁疇壁對(duì)不同偏振自旋波的通過率不同來實(shí)現(xiàn)調(diào)制自旋波偏振狀態(tài)的功能。所述磁結(jié)構(gòu)為一垂直磁化的反鐵磁納米線，該納米線中存在兩塊相反磁取向的磁疇以及在磁疇之間自然形成的磁疇壁。自旋波從納米線的一端輸入，通過磁疇壁后從納米線的另一端輸出。其中偏振方向平行于x方向的自旋波定義為“x偏振自旋波”，偏振方向平行于y方向的自旋波定義為“y偏振自旋波”

本發(fā)明提供的自旋波起偏器，其功能為，當(dāng)輸入自旋波起偏器的自旋波處在任意偏振狀態(tài)時(shí)（如圓偏振、橢圓偏振或無規(guī)則偏振，平行于磁疇壁方向的線偏狀態(tài)除外），僅某一特定線性偏振狀態(tài)（平行于磁疇壁方向）的自旋波能夠被輸出。

本發(fā)明中，自旋波起偏器對(duì)于偏振狀態(tài)的選擇特性依賴于DMI的具體形式。當(dāng)DMI效應(yīng)為體DMI效應(yīng)（Bulk DMI）時(shí)，磁疇壁的種類為布洛赫壁（Bloch Wall），此時(shí)自旋波起偏器會(huì)選擇性輸出與磁疇壁平行的偏振狀態(tài)，即Y方向線偏自旋波；當(dāng)DMI效應(yīng)為界面DMI效應(yīng)時(shí)（Interfacial DMI）,磁疇壁的種類為奈爾壁（Neel Wall），此時(shí)自旋波起偏器會(huì)選擇性輸出與磁疇壁平行的偏振狀態(tài)，即X方向線偏自旋波。

本發(fā)明基于反鐵磁絕緣材料，從而其載流子只包含自旋波。

本發(fā)明所述的選擇性濾波特性，其主要原理為，當(dāng)處在某一線性偏振狀態(tài)下的自旋波（例如X方向線偏）通過該自旋波起偏器結(jié)構(gòu)后會(huì)被有效地反射從而被阻斷；對(duì)于與其正交的另外一種偏振模式（例如Y方向線偏）的自旋波，則能夠無反射地通過起偏器。下面將闡述這一現(xiàn)象的主要科學(xué)原理：

在帶有DMI效應(yīng)的反鐵磁材料中，磁的動(dòng)力學(xué)方程由LLG(Landau-Lishitz-Gilbert)方程描述：

（1）

其中m是歸一化的磁化矢量，下標(biāo)1、2代表反鐵磁結(jié)構(gòu)中兩套子晶格，α是Glibert常數(shù)，是歸一化的磁旋常數(shù)，其中γ是電子磁旋常數(shù)，是真空中的磁介質(zhì)常數(shù)，M_s是飽和磁化量。而磁化矢量m引起的有效磁場可由下式（2）描述：

（2）

該有效磁場強(qiáng)度由易軸磁各向異性K,子晶格內(nèi)磁交換強(qiáng)度A,DMI強(qiáng)度D，以及子晶格間反鐵磁交換強(qiáng)度J控制。

在反鐵磁體系下中，反鐵磁交換作用很強(qiáng)，所以兩套子晶格的磁化矢量在相同位置趨向于反平行。在由式(1)和式(2)描述的反鐵磁體系中，存在兩種不同的均勻磁疇。在兩種磁疇中磁化矢量分別為和。在兩種不同的磁疇間，存在磁疇壁，其中磁化矢量方向在和之間漸變。如果只研究其中一套子晶格中的m₁,并將m₁(x)在球坐標(biāo)系下表示為，那么磁疇壁必須為Bloch形的，即其形式表示為Walker形式，磁疇壁內(nèi)的磁化矢量被DMI固定在y-z平面內(nèi)。

如果規(guī)定在磁疇壁內(nèi)的自旋波的形式為，其中和為垂直于的兩個(gè)橫向方向，那么根據(jù)式(1)，在磁疇壁內(nèi)自旋波的動(dòng)力學(xué)方程為

(3)

(4)

其中，，和分別為易軸磁各向異性K和DMI在磁疇壁內(nèi)帶來的等效勢。在式(3)(4)描述了兩種不同的自旋波模式，其中模式主要在方向振動(dòng)，而模式主要在方向振動(dòng)。這兩種不同的自旋波模式在磁疇壁兩邊的均勻磁疇中分別對(duì)應(yīng)y偏振模式和x偏振模式，式（3）（4）提供的自旋波模式相當(dāng)于x偏振和y偏振在磁疇壁內(nèi)的通道。

如果沒有DMI，那么由于是一個(gè)無反射勢，兩個(gè)偏振通道都是無反射的。有DMI下的兩個(gè)偏振通道的行為可以通過研究局域的自旋波的色散關(guān)系得出。在一階近似下，x和y偏振的色散關(guān)系近似為

由于反鐵磁相互作用很強(qiáng)，J比其它參數(shù)大很多，所以在x偏振通道，勢的影響很大，而在y偏振通道，勢的影響很小。因此在相對(duì)較低的自旋波頻率下，x偏振自旋波在遇到磁疇壁時(shí)會(huì)被強(qiáng)烈的反射，而y偏振自旋波仍然會(huì)基本無損的穿過該磁疇壁，也就是說，磁疇壁是一個(gè)自旋波起偏器。

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）本發(fā)明中所述的自旋波起偏器完全反鐵磁絕緣材料，其中的信息載體的是自旋波，不是導(dǎo)電電子，規(guī)避了焦耳熱，從而有效地降低了器件的功耗；

（2）本發(fā)明中所述的自旋波起偏器幾何尺寸處在納米（10^-9m）量級(jí)，易于高密度集成；

（3）本發(fā)明中所述器件僅基于單種反鐵磁材料（或人工反鐵磁結(jié)構(gòu)），其結(jié)構(gòu)為具有兩塊相反磁疇的納米線，工藝簡單，制備技術(shù)成熟；

（4）本發(fā)明所采用的為反鐵磁材料（或人工反鐵磁結(jié)構(gòu)），自旋波頻率可高達(dá)太赫茲（10¹²Hz）量級(jí),遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)鐵磁材料的吉赫茲（10⁹Hz）量級(jí)，能夠大大提高邏輯計(jì)算的速度；

（5）本發(fā)明中所述的自旋波起偏器并不包含其它種類的載流子和相互作用（如電磁、聲、熱等），為下一代純自旋波邏輯器件的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

本發(fā)明提供的自旋波起偏器，通過反鐵磁體系具有DMI效應(yīng)時(shí)，磁疇壁對(duì)不同偏振模式自旋波的通過率不同而起到對(duì)自旋波的起偏效果。該自旋波起偏器功耗小，尺寸小，易構(gòu)造，易集成，可用于有效地控制自旋波的偏振狀態(tài)并由此進(jìn)行進(jìn)一步的邏輯計(jì)算。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的磁結(jié)構(gòu)。

圖2是x偏振與y偏振自旋波的透射率隨頻率變化關(guān)系圖。

圖3是本發(fā)明的效果示意圖。

圖4是本發(fā)明一種實(shí)施例的幾何機(jī)構(gòu)。

圖5是在x起偏器中x偏振自旋波的傳播仿真圖。

圖6是在x起偏器中y偏振自旋波的傳播仿真圖。

圖7是在y起偏器中x偏振自旋波的傳播仿真圖。

圖8是在y起偏器中y偏振自旋波的傳播仿真圖。

具體實(shí)施方式

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。

本發(fā)明中的一種自旋波起偏器基于具有DMI效應(yīng)的反鐵磁納米線。在本實(shí)施例中假設(shè)該納米線在左右兩方向?yàn)闊o窮長。在本實(shí)施例中所使用的是人工反鐵磁結(jié)構(gòu)，納米線由兩層磁化方向相反的鐵磁材料組成，兩鐵磁層中通過引入重金屬層而具有公知的RKKY相互作用從而實(shí)現(xiàn)反鐵磁耦合，各磁疇都處于垂直磁化狀態(tài)。

圖1所示是本實(shí)施例中人工反鐵磁納米線內(nèi)的磁結(jié)構(gòu)，納米線沿x方向延展，在納米線中部存在一反鐵磁磁疇壁1。本實(shí)施例所采用的為體DMI形式，故所形成的磁疇壁為布洛赫型。擁有某種偏振特性的自旋波（x偏振、y偏振、圓偏振或隨機(jī)偏振等）從反鐵磁納米線中的一段注入，經(jīng)過磁疇壁后從另一端輸出。

圖2所示是當(dāng)DMI強(qiáng)度為D=0.003A時(shí)的x偏振與y偏振自旋波透射率隨頻率變化關(guān)系圖，實(shí)線與虛線為理論計(jì)算結(jié)果，方形與圓形數(shù)據(jù)點(diǎn)為仿真結(jié)果。根據(jù)圖2的結(jié)果，在7GHz至10GHz頻率區(qū)間內(nèi)，x偏振與y偏振自旋波的透射率有著顯著的不同，x偏振自旋波在該頻率區(qū)間內(nèi)能夠被有效地反射，而y偏振自旋波可以無反射地通過。在大于10GHz的頻率區(qū)間內(nèi)，x偏振與y偏振自旋波都能夠無反射地通過。

圖3所示是本實(shí)施例仿真效果圖。處于圓偏振態(tài)（由x偏振和y偏振兩種偏振線性疊加而成），頻率為8GHz的自旋波從自旋波起偏器的一端輸入。圖3中分別顯示了該圓偏振自旋波中兩種線偏成分的通過效果。其中x偏振自旋波2被反鐵磁磁疇壁阻斷并反射，y偏振自旋波3能夠無反射地通過反鐵磁磁疇壁。當(dāng)處在圓偏振的自旋波通過反鐵磁磁疇壁后會(huì)被轉(zhuǎn)化為y偏振，此即本發(fā)明所述自旋波起偏器的效果。

圖4所示是本發(fā)明另一種實(shí)施例的幾何結(jié)構(gòu)。反鐵磁納米線具有“Z”型結(jié)構(gòu)，包含水平方向與豎直方向兩部分。反鐵磁磁疇壁可分別處在位置4或位置5。反鐵磁磁疇壁在納米線中的位置可通過公知的電流驅(qū)動(dòng)，外場驅(qū)動(dòng)等方式進(jìn)行調(diào)控。當(dāng)反鐵磁磁疇壁處在位置4時(shí)，磁疇壁中心的磁矩處在x方向，此時(shí)的自旋波起偏器為x起偏器。當(dāng)反鐵磁磁疇壁處在位置5時(shí)，磁疇壁中心的磁矩處在y方向，此時(shí)的自旋波起偏器為y起偏器。

圖5所示為x起偏器中x偏振自旋波的傳播仿真圖。x偏振自旋波能夠無反射地通過自旋波起偏器。

圖6所示為x起偏器中y偏振自旋波的傳播仿真圖。y偏振自旋波無法通過自旋波起偏器。

圖7所示為y起偏器中x偏振自旋波的傳播仿真圖。x偏振自旋波無法通過自旋波起偏器。

圖8所示為y起偏器中y偏振自旋波的傳播仿真圖。y偏振自旋波能夠無反射地通過自旋波起偏器。