一种自偏置磁振子波导中自旋波的调制方法

摘要

本发明公开了一种自偏置磁振子波导中自旋波的调制方法，用于对所述波导中自旋波的传播行为进行调制，所述传播行为包括自旋波的最大传播频率、截止频率和传播轨迹，所述方法包括：调节自旋波能够束缚在所述波导中间沟道中的最大传播频率；调节所述波导两侧沟道中自旋波的截止频率；调节所述自旋波的传播轨迹。本发明能够在一种基于交换弹性磁结构的磁振子波导上对自旋波的传播行为进行调制。

说明书

技术领域

本发明涉及磁振子器件技术领域，尤其涉及一种自偏置磁振子波导中自旋波的调制方法。

背景技术

1930年，瑞士物理学家布洛赫第一次提出的自旋波的概念——磁有序体中相互作用(主要是交换作用和偶极相互作用)的磁矩由于激发所引起的集体运动。Holstein T和Primakoff H对其进行了量子化描述，并称之为磁振子。近年来，随着人们对磁学和电子自旋特性研究的深入，自旋波的诸多优异特性被人们陆续发掘，以自旋波作为信息载体的磁振子器件的设计和制作成为“后CMOS时代”一个极具发展前景的方向之一。

传统的半导体集成电路技术是以载流子(电子或空穴)作为信息传输的载体，而载流子在输运过程中会不可避免地发生能量耗散并引起发热现象。随着器件尺寸的不断减小，这些损耗和发热会愈加凸显，与器件的低功耗化发展方向相悖。由于自旋波的传输是磁矩的集体进动现象而并不涉及到电子的输运，因此，以自旋波替换载流子作为信息传输的载体将会极大地降低器件的功耗。

在一些低阻尼系数的磁性材料如YIG中，自旋波的传播距离可以达到厘米量级，而基于电子运动的自旋电流因受限于自旋扩散长度，其传播距离通常不超过1微米。另外，自旋波的特征频率在GHz到THz波段，而同频率的自旋波波长要比电磁波小几个数量级，人们甚至可以对波长在10nm以下的波长进行操控；而随着波长的减小，交换作用主导的自旋波频率呈平方式增大，第一布里渊区的三分之一区域里群速度呈线性增大，这使得磁振子器件在减小尺寸的同时又提高了计算速度。

磁振子波导作为磁振子器件的重要组成部分，除了扮演自旋波传播载体的基本角色，更承担着调制自旋波传播行为，如传播路径、相位和色散关系的功能。最简单的磁振子波导是一维纳米线，因其结构简单而对自旋波的调制自由度极为有限；另一种波导是磁振子晶体，其是一种类似于光子晶体的周期性磁结构，通过改变其周期单元的几何结构、周期、排列方式等可实现对自旋波能带结构的调制。

上述的两种波导在正常工作时都需要外加一个偏置磁场以维持自旋波的传播，这不仅增加了器件的功耗也同时增大了器件体积，并且两者调制自旋波的方式不够灵活。在专利《一种自偏置的自旋波波导及其制备方法》中，作者介绍了一种基于交换弹性(exchange-spring)结构的自偏置磁振子波导。这种波导无需外加偏置场即可作为自旋波传输的媒介。然而，该专利中并未涉及到基于该波导对自旋波传播行为的调制方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种自偏置磁振子波导中自旋波的调制方法，能够在一种基于交换弹性磁结构的磁振子波导上对自旋波的传播行为进行调制。

第一方面，本发明提供了一种自偏置磁振子波导中自旋波的调制方法，用于对所述波导中自旋波的传播行为进行调制，所述传播行为包括自旋波的最大传播频率、截止频率和传播轨迹，其特征在于，所述方法包括：

调节自旋波能够束缚在所述波导中间沟道中的最大传播频率；

调节所述波导两侧沟道中感生自旋波的截止频率；

调节所述自旋波的传播轨迹。

进一步地，所述调节自旋波能够束缚在所述波导中间沟道中的最大传播频率，以及所述调节所述波导两侧沟道中自旋波的截止频率，通过改变所述波导中硬磁薄膜的各向异性大小来实现。

进一步地，所述改变所述波导中硬磁薄膜的各向异性大小，通过选取不同的硬磁薄膜材料来实现。

进一步地，所述调节自旋波能够束缚在所述波导中间沟道中的最大传播频率，通过改变所述波导中软磁薄膜的厚度来实现。

进一步地，所述改变所述波导中软磁薄膜的厚度，通过控制软磁薄膜的生长时间来实现。

进一步地，所述调节自旋波能够束缚在所述波导中间沟道中的最大传播频率，通过改变所述波导中硬磁薄膜和软磁薄膜之间的交换耦合系数来实现。

进一步地，改变所述波导中硬磁薄膜和软磁薄膜之间的交换耦合系数，通过在所述硬磁薄膜和软磁薄膜之间加入绝缘层，以及调节绝缘层厚度来实现。

进一步地，所述调节所述波导两侧沟道中感生自旋波的截止频率，通过改变所述波导沟道之间的距离来实现。

进一步地，所述改变所述波导沟道之间的距离，通过改变所述波导的宽度或所述波导中硬磁薄膜的磁化状态来实现。

进一步地，所述调节所述自旋波的传播轨迹，通过改变所述波导中硬磁薄膜的磁化状态来实现。

由上述技术方案可知，本发明提供一种自偏置磁振子波导中自旋波的调制方法，能够在一种基于交换弹性磁结构的磁振子波导上对自旋波的多种传播行为进行调制，调制方法简单，可操作性和可控性强。

附图说明

图1为中间沟道中自旋波的最大可传播频率以及两侧沟道中感生自旋波的截止频率随硬磁薄膜各向异性变化的曲线。

图2为波导宽度w＝400nm时自旋波的频谱分布。

图3为波导宽度w＝320nm时自旋波的频谱分布。

图4为本发明提供的基于exchange-spring结构的磁振子波导示意图。

图5为低频自旋波同时在中间和两侧沟道中传播的图像。

图6为自旋波在中间沟道中传播的色散曲线。

图7为自旋波在两侧沟道中传播的色散曲线。

图8为高频自旋波仅在中间沟道中传播的图像。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明实施例提供了一种自偏置磁振子波导中自旋波的调制方法，用于对在交换弹性结构的磁振子波导中传播的自旋波进行调制，通过该方法可以实现对自旋波的传播行为的调节，其中，所述传播行为包括自旋波在传播沟道1中的最大传播频率、截止频率和传播轨迹等。

自旋波在交换弹性结构产生的三个沟道中均可以传播。作为磁振子波导，当自旋波在中间的沟道中传播时，通过改变硬磁薄膜2的厚度、软磁薄膜3的各向异性常数、硬磁薄膜2和软磁薄膜3之间的交换耦合系数等参数可以调节自旋波被束缚在沟道中传播而不会扩散到整个薄膜中的最大频率；通过改变沟道的距离、方向等可以调节自旋波的传播轨迹。

所述调制方法具体为：调节自旋波能够束缚在所述波导中间沟道中的最大传播频率，调节所述波导两侧沟道中感生自旋波的截止频率，以及调节所述自旋波的传播轨迹。

优选地，可通过以下几种方式实现对上述最大传播频率的调节：一，改变所述波导中硬磁薄膜2的各向异性大小；二，改变所述波导中软磁薄膜3的厚度；三，改变所述波导中硬磁薄膜2和软磁薄膜3之间的交换耦合系数。

进一步优选地，改变所述波导中硬磁薄膜2的各向异性大小，可通过选取不同的硬磁薄膜2材料来实现，可选择的硬磁材料包括Co/Pd、Co/Pt、[Co/Pd]/Fe[Co/Pd]、Co/Ni、CoNi/Pt、CoFe/Pd或CoFe/Ni等多层膜结构。硬磁薄膜2的各向异性越大，自旋波能够在沟道中传播的最大频率越大，中间沟道中自旋波的最大可传播频率随硬磁薄膜2各向异性的变化，如图1中上侧的变化曲线所示，其中，参数f_max代表上述最大可传播频率，MC代表中间沟道，由该曲线的变化趋势可知，中间沟道中自旋波的最大可传播频率随硬磁薄膜2各向异性增大而大。

进一步优选地，改变所述波导中软磁薄膜3的厚度，通过控制软磁薄膜3薄膜的生长时间来实现。在生长软磁薄膜3时，控制薄膜的生长时间可以得到不同厚度的软磁薄膜3。薄膜的生长时间方便控制，使得对软磁薄膜3的厚度的改变可控性更强。

进一步优选地，改变所述波导中硬磁薄膜2和软磁薄膜3之间的交换耦合系数，可通过调节所述硬磁薄膜2和软磁薄膜3之间绝缘层的厚度来实现，根据具体参数需求，还可以去掉绝缘层。绝缘层的厚度可控，用以改变上述交换耦合系数，效果明显。

优选地，可通过以下两种方式来实现对上述截止频率的调节：一，改变所述波导中硬磁薄膜2的各向异性大小；二，改变所述波导的沟道之间的距离。

进一步优选地，改变所述波导中硬磁薄膜2的各向异性大小，可通过选取不同的硬磁薄膜2材料来实现，可选择的硬磁材料包括Co/Pd、Co/Pt、[Co/Pd]/Fe[Co/Pd]、Co/Ni、CoNi/Pt、CoFe/Pd或CoFe/Ni等多层膜结构。硬磁薄膜2的各向异性越大，自旋波能够在沟道中传播的最大频率越大，两侧沟道中感生自旋波的截止频率随硬磁薄膜2各向异性的变化如图1中下侧的变化曲线所示，其中，参数fc代表上述截止频率，BCs代表两侧沟道，由该曲线的变化趋势可知，两侧沟道中感生自旋波的截止频率随硬磁薄膜2各向异性增大而大。

进一步优选地，改变所述波导的沟道之间的距离，通过改变所述波导的宽度或所述波导中硬磁薄膜2的磁化状态来实现。作为自旋波滤波器，当感生自旋波在两侧沟道中传播时，调节中间与两侧沟道之间的距离可以控制感生自旋波的截止频率，其具体通过以下两种方法实现对上述距离的调节：一，通过调节磁振子波导的宽度，可改变沟道之间的距离；二，改变硬磁薄膜2的磁化状态，即调节四个条形磁畴的宽度，也可改变沟道之间的距离。

其中，波导宽度w＝400nm时自旋波的频谱分布如图2所示，波导宽度w＝320nm时自旋波的频谱分布如图3所示。由图2和图3可见，波导宽度不同时，感生自旋波的截止频率也存在差异，因此可通过改变波导宽度来调节感生自旋波的截止频率。

优选地，可通过改变所述波导中硬磁薄膜2的磁化状态，来实现对上述传播轨迹的调节。具体地，在其他条件不变的情况下，改变硬磁薄膜2的初始磁化状态，使条形磁畴弯曲，可以实现沟道的弯曲，从而改变自旋波的传播轨迹。

其中，改变硬磁薄膜2的初始磁化状态可通过改变条形磁畴的宽度来实现，改变条形磁畴的宽度实施起来具有很高的灵活性和可重构性。

对本发明实施例的基本原理分析如下：

本发明实施例提供的自偏置磁振子波导中自旋波的调制方法，其目的是对自偏置磁振子波导中的自旋波进行调制，其中的磁振子波导为专利专利《一种自偏置的自旋波波导及其制备方法》中所述的磁振子波导。该波导包括基片，依次形成于基片之上的永磁薄膜、绝缘介质薄膜、软磁薄膜和保护层形成的多层薄膜结构，所述多层薄膜结构在垂直于膜面的磁场中饱和磁化后，采用单极磁头的写入磁场局域翻转永磁薄膜的磁化方向，即可形成自偏置的磁振子波导。

如图4所示，该磁振子波导具有硬/软磁薄膜3双层膜结构，其中在硬磁薄膜和软磁薄膜的中间还有绝缘层，该绝缘层并未在图4中示出。由于硬/软磁薄膜之间存在很强的交换耦合作用，硬磁薄膜2的磁化状态必然会影响软磁薄膜3的磁矩分布。两层薄膜距离越近，这种交换耦合作用越强。该波导中硬磁薄膜2的各向异性不同，稳定后的磁化状态也有所不同，进而影响软磁薄膜3的静磁能，最终影响自旋波的传播。而改变软磁薄膜3和绝缘层的厚度均可以调节硬/软磁薄膜3之间的交换耦合大小，从而影响自旋波的传播行为。

同理，当硬磁薄膜2的磁化状态改变，条形磁畴发生弯曲时，软磁薄膜3中的沟道也发生弯曲，从而改变的自旋波的传播轨迹。

另外，由于磁矩之间存在偶极相互作用和交换作用，当中间的沟道中自旋波的频率较低时，自旋波由偶极相互作用主导，这种长程的偶极相互作用可以越过沟道的壁垒并在两侧沟道中诱导出感生自旋波，如图5中的图像所示，低频自旋波同时在中间和两侧沟道中传播，但在中间沟道传播的色散情况与在两侧沟道中传播的色散情况不同，图6及图7示出了该种情况下，自旋波在中间沟道以及在两侧沟道中传播的色散曲线；而当频率较高时，自旋波的传播由交换作用主导，由于交换作用是短程相互作用，因此无法越过壁垒感生出自旋波，如图8中的图像所示，高频自旋波因无法越过壁垒仅在中间沟道中传播。结合图5和图8中图像和频率的对比可知，随着沟道距离的增大，只有更低频率的自旋波才可以越过壁垒在两侧沟道中诱导出感生自旋波。

基于以上内容，本发明实施例可以达到的技术效果是：可实现对自旋波的多个传播行为的调制；在保证自旋波正常传播的前提下，本发明提供的自旋波调制方法实现起来更加方便，可控性更强；不含有外部调制模块，有利于减小器件的尺寸和降低功耗；其中，调节硬磁薄膜2的初始磁化状态具有很高的灵活性和可重构性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。