基于磁性斯格明子的与门及其控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于磁性斯格明子的与门及其控制方法，包括磁纳米轨道，磁纳米轨道包括相互接触连接的磁性层和强自旋轨道耦合层，磁性层包括第一输入端，第二输入端，Y型磁轨道以及输出端。Y型磁轨道包括第一磁轨道、第二磁轨道、第三磁轨道和第四磁轨道，磁性斯格明子可从第一输入端和/或第二输入端进入Y型磁轨道后变成磁畴壁对，并在通过Y型磁轨道后还原成新的磁性斯格明子进入输出端。Y型磁轨道中窄的磁轨道宽度小于磁性斯格明子的直径，第三磁轨道的磁轨道宽度大于磁性斯格明子的直径。磁性斯格明子与磁畴壁对之间能够实现可逆转化，利用磁性斯格明子在磁纳米轨道中运动制成的与门具有体积小、功耗低、稳定性高的特点。

The door magnetic skyrmion and its control method based on

The invention relates to a magnetic door skyrmion and its control method based on nano magnetic nanoparticles including magnetic track, track including contact connection of magnetic layer and strong spin orbit coupling layer and the magnetic layer comprises a first input terminal, a second input, Y output and magnetic track. Y type magnetic track includes a first magnetic track, second magnetic track, third magnetic track and fourth track magnetic, magnetic skyrmion from the first input terminal and / or second input into the Y type magnetic domain wall into orbit on, and through the Y type magnetic track back into the new magnetic Scott Ming sub into the output end. Magnetic track narrow Y magnetic track width is smaller than the diameter of the skyrmion magnetic, magnetic track third magnetic track width is greater than the diameter of the magnetic skyrmion. The magnetic domain wall between the skyrmion and can realize the reversible transformation, made motion in orbit using magnetic nano magnetic skyrmion and has the characteristics of small volume, low power consumption and high stability.

【技术实现步骤摘要】
基于磁性斯格明子的与门及其控制方法
本专利技术涉及与门制造
，特别是涉及一种基于磁性斯格明子的与门及其控制方法。
技术介绍
信息技术飞速发展，不仅改善了人类的生活质量，也对信息存储技术提出了向高密度，高速度，低耗能方向极速发展的要求。现有与门采用传统CMOS结构，体积大，功耗高、稳定性低，显然已经不能满足人们日益增长的信息存储需求。
技术实现思路
基于此，有必要提供一种体积小、功耗低、稳定性高的与门。一种基于磁性斯格明子的与门，包括磁纳米轨道，所述磁纳米轨道包括相互接触连接的磁性层和强自旋轨道耦合层，所述磁性层包括第一输入端，第二输入端，Y型磁轨道以及输出端，所述Y型磁轨道包括：第一磁轨道，一端与所述第一输入端相连，另一端与第二磁轨道和第三磁轨道相连；第二磁轨道，一端与所述第二输入端相连，另一端与所述第一磁轨道和所述第三磁轨道相连，并与所述第一磁轨道形成夹角；第三磁轨道，一端连接所述第一磁轨道和所述第二磁轨道，另一端连接所述第四磁轨道，；第四磁轨道，一端连接所述第三磁轨道，另一端连接所述输出端；所述Y型磁轨道的第一磁轨道、第二磁轨道和第四磁轨道的磁轨道宽度小于磁性斯格明子的直径，所述第三磁轨道的磁轨道宽度大于所述磁性斯格明子的直径，所述磁性斯格明子能够从所述第一输入端和所述第二输入端进入所述Y型磁轨道后变成磁畴壁对，所述磁畴壁对通过所述Y型磁轨道后还原成新的磁性斯格明子进入所述输出端；所述磁性斯格明子能够从所述第一输入端或所述第二输入端进入所述Y型磁轨道后变成磁畴壁对，所述磁畴壁对通过所述Y型磁轨道后没有磁性斯格明子进入所述输出端。在其中一个实施例中，所述与门还包括通电装置，所述通电装置一端同时连接所述第一输入端和所述第二输入端，另一端与所述输出端相连，所述通电装置用于加载自旋极化电流，以使所述磁性斯格明子在所述自旋极化电流的驱动下沿着所述磁纳米轨道定向运动。在其中一个实施例中，所述通电装置是电极。在其中一个实施例中，所述第一输入端和所述第二输入端关于所述第三磁轨道呈轴对称分布。在其中一个实施例中，所述第一磁轨道和所述第二磁轨道关于所述第三磁轨道呈轴对称分布，所述第一磁轨道和所述第二磁轨道间的夹角范围是[37°，90°]。在其中一个实施例中，所述与门的总长度是600(1±10％)nm，总宽度是220(1±10％)nm，其中所述第一输入端、所述第二输入端以及所述输出端尺寸相同，长度是145(1±10％)nm，宽度是100(1±10％)nm。在其中一个实施例中，所述磁性层是铁磁性材料纳米薄膜，所述强自旋轨道耦合层是金属铱纳米薄膜。在其中一个实施例中，所述第一磁轨道和所述第二磁轨道的宽度为18(1±10％)nm，所述第三磁轨道的宽度为40(1±10％)nm，所述第四磁轨道的宽度为10(1±10％)nm，所述第二磁轨道和所述第一磁轨道间的夹角是53°。在其中一个实施例中，所述第一磁轨道与所述第一输入端的夹角(β)是45°。另一方面，本专利技术还提出一种基于磁性斯格明子的与门的控制方法，包括：驱动磁性斯格明子从所述第一输入端进入所述第一磁轨道和/或磁性斯格明子从所述第二输入端进入所述第二磁轨道；磁性斯格明子在所述第一磁轨道变成第一磁畴壁对，在所述第二磁轨道变成第二磁畴壁对；持续驱动所述第一磁畴壁对和/或第二磁畴壁对进入所述第三磁轨道；持续驱动所述第一磁畴壁对或所述第二磁畴壁对通过所述第三磁轨道，所述第一磁畴壁对或所述第二磁畴壁对在所述第三磁轨道末端消失；或者驱动由所述第一磁畴壁对和所述第二磁畴壁对一起通过所述第三磁轨道形成新的磁畴壁对进入所述第四磁轨道；所述新的磁畴壁对通过所述第四磁轨道后还原成新的磁性斯格明子进入所述输出端。上述基于磁性斯格明子的与门，磁性斯格明子与磁畴壁对之间能够实现可逆转化，磁性斯格明子的尺寸可以做到很小，稳定性也很高，并且驱动电流小，因此利用磁性斯格明子在磁纳米轨道中运动制成的与门具有体积小、功耗低、稳定性高的特点。附图说明图1是一实施例中基于磁性斯格明子的与门的结构示意图；图2是一实施例中基于磁性斯格明子的与门的控制方法的流程图；图3是另一实施例中基于磁性斯格明子的与门的控制方法的流程图。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下面将参照相关附图对本专利技术进行更全面的描述。附图中给出了本专利技术的首选实施例。但是，本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本专利技术的公开内容更加透彻全面。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本专利技术。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。图1是一实施例中基于磁性斯格明子的与门的结构示意图。在本实施例中，基于磁性斯格明子的与门包括磁纳米轨道，磁纳米轨道的结构由两层组成，从上到下包括相互接触连接的磁性层和强自旋轨道耦合层50。磁性层采用具有磁性的材料，其功能是产生和传递磁性斯格明子。在一个实施例中，磁性层是由垂直各向异性的铁磁性材料构成的纳米薄膜，在其他实施例中，磁性层也可以是由Co或CoFe或CoFeB等磁性材料构成。强自旋轨道耦合层50采用具有较大自旋轨道耦合矩的材料，其功能是产生生成与保持磁性斯格明子所需的DMI(Dzyaloshinskii-Moriyainteractions)效应，由于强自旋轨道耦合层50与垂直各向异性的铁磁性材料构成的纳米薄膜之间的DMI，导致在磁性层局部位置注入自旋极化电流后，此磁性层对应位置就会产生一个稳定的磁性斯格明子，在一个实施例中，强自旋轨道耦合层50是由金属铱构成的纳米薄膜，在其他实施例中，强自旋轨道耦合层50也可以是由Pt或Ta或W等金属材料构成。斯格明子(Skyrmions)是由核物理学家TonySkyrme在1961年提出的类粒子(particle-like)模型。2009年，德国科学家首次在实验中发现了稳定的磁性斯格明子，其为一种具有涡旋结构的手性自旋结构(chiralspinstructurewithawhirlingconfiguration)。这种磁性斯格明子可以稳定存在于具有极强自旋轨道耦合作用的块磁体或者是与重金属耦合的纳米薄膜中。磁性斯格明子的中心磁距与周围磁距方向相反，中心磁距需要克服一定的势垒才可以翻转到与周围磁距方向一致。因此，磁性斯格明子比传统磁畴壁结构更加稳定。进一步的，将磁性斯格明子应用在与门较于传统的CMOS结构有极大的优势，主要表现在以下三个方面：1)与传统的磁畴壁相比，磁性斯格明子的尺寸可以做到很小，目前，单个的磁性斯格明子已经可以做到5nm；2)磁性斯格明子是具有拓扑保护的一种特殊的磁畴结构，相较于传统磁畴壁更加稳定，能够在外界条件(磁场、温度和器件缺陷等)发生变化时保持稳定，从而使得基于磁性斯格明子的与门稳定性更高；3)磁性斯格明子的启动电流密度远小于磁畴壁的启动电流密度，是磁畴壁的百万分之一，使得基于斯格明子与门具有低功耗的特性。参见图1，磁性层包括第一输入端10，第二输入端20，Y型磁轨道30以及输出端40，Y型磁轨道30包括第一磁轨道31、第二磁轨本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于磁性斯格明子的与门，包括磁纳米轨道，所述磁纳米轨道包括相互接触连接的磁性层和强自旋轨道耦合层，其特征在于，所述磁性层包括第一输入端，第二输入端，Y型磁轨道以及输出端，所述Y型磁轨道包括：第一磁轨道，一端与所述第一输入端相连，另一端与第二磁轨道和第三磁轨道相连；第二磁轨道，一端与所述第二输入端相连，另一端与所述第一磁轨道和所述第三磁轨道相连，并与所述第一磁轨道形成夹角；第三磁轨道，一端连接所述第一磁轨道和所述第二磁轨道，另一端连接所述第四磁轨道；第四磁轨道，一端连接所述第三磁轨道，另一端连接所述输出端；所述Y型磁轨道的第一磁轨道、第二磁轨道和第四磁轨道的磁轨道宽度小于磁性斯格明子的直径，所述第三磁轨道的磁轨道宽度大于所述磁性斯格明子的直径，所述磁性斯格明子能够从所述第一输入端和所述第二输入端进入所述Y型磁轨道后变成磁畴壁对，所述磁畴壁对通过所述Y型磁轨道后还原成新的磁性斯格明子进入所述输出端；所述磁性斯格明子能够从所述第一输入端或所述第二输入端进入所述Y型磁轨道后变成磁畴壁对，所述磁畴壁对通过所述Y型磁轨道后没有磁性斯格明子进入所述输出端。

【技术特征摘要】
1.一种基于磁性斯格明子的与门，包括磁纳米轨道，所述磁纳米轨道包括相互接触连接的磁性层和强自旋轨道耦合层，其特征在于，所述磁性层包括第一输入端，第二输入端，Y型磁轨道以及输出端，所述Y型磁轨道包括：第一磁轨道，一端与所述第一输入端相连，另一端与第二磁轨道和第三磁轨道相连；第二磁轨道，一端与所述第二输入端相连，另一端与所述第一磁轨道和所述第三磁轨道相连，并与所述第一磁轨道形成夹角；第三磁轨道，一端连接所述第一磁轨道和所述第二磁轨道，另一端连接所述第四磁轨道；第四磁轨道，一端连接所述第三磁轨道，另一端连接所述输出端；所述Y型磁轨道的第一磁轨道、第二磁轨道和第四磁轨道的磁轨道宽度小于磁性斯格明子的直径，所述第三磁轨道的磁轨道宽度大于所述磁性斯格明子的直径，所述磁性斯格明子能够从所述第一输入端和所述第二输入端进入所述Y型磁轨道后变成磁畴壁对，所述磁畴壁对通过所述Y型磁轨道后还原成新的磁性斯格明子进入所述输出端；所述磁性斯格明子能够从所述第一输入端或所述第二输入端进入所述Y型磁轨道后变成磁畴壁对，所述磁畴壁对通过所述Y型磁轨道后没有磁性斯格明子进入所述输出端。2.根据权利要求1所述的基于磁性斯格明子的与门，其特征在于，所述与门还包括通电装置，所述通电装置一端同时连接所述第一输入端和所述第二输入端，另一端与所述输出端相连，所述通电装置用于加载自旋极化电流，以使所述磁性斯格明子在所述自旋极化电流的驱动下沿着所述磁纳米轨道定向运动。3.根据权利要求2所述的基于磁性斯格明子的与门，其特征在于，所述通电装置是电极。4.根据权利要求1所述的基于磁性斯格明子的与门，其特征在于，所述第一输入端和所述第二输入端关于所述第三磁轨道呈轴对称分布。5.根据权利要求1或4所述的基于磁性斯格明子的与门，其特征在于，所述第一磁轨...

【专利技术属性】
技术研发人员：张溪超，江泽雅彦，周艳，
申请(专利权)人：香港中文大学深圳，
类型：发明
国别省市：广东,44