【纳米】ACS Nano┃自旋波：点亮下一代逻辑电路设计之光- 大数跨境

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【纳米】ACS Nano┃自旋波：点亮下一代逻辑电路设计之光

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2021-03-16

导读：近日，北京航空航天大学集成电路科学与工程学院于海明教授、南方科技大学量子科学与工程研究院陈济雷助理研究员证明了通过磁性斯格明子自身的旋转，可以激发纳米级别波长的自旋波，并且可以通过很小的外加磁场来控制

英文原题：Chiral Emission of Exchange Spin Waves by Magnetic Skyrmions

通讯作者：于海明，北京航空航天大学

作者：Jilei Chen, Junfeng Hu and Haiming Yu

当下，信息时代科技正快速更迭。在芯片与集成电路方向，电子元器件的精度已达到纳米层级，为曾经经典的摩尔定律画下句点。正因如此，业界亟待设计、制造一种既满足高度集成又满足低能耗的下一代电路体系。而自旋电子学，便是当下能够填补摩尔定律缺位空白的前沿学科。自旋电子学，顾名思义，是研究电子自旋的学科，是根据电子自旋的特性阐发出来的学科领域之一。研究表明，电子自旋的集体进动产生的自旋波具有零焦耳热耗散、实现器件纳米化的诸多优势，可以携带并传输自旋量子信息，因此可被用于制造具有高密度、低功耗和非易失性的存储器件，更能实现逻辑电路的各种功能。这也是自旋波不断被学界和业界看好，并称其为能实现下一代逻辑电路和量子计算的主要原因之一。然而，如何自如高效地激发和传输纳米级波长的自旋波一直是业界难以突破的瓶颈。在自旋电子学的研究当中，磁性斯格明子具有尺寸小、高稳定性和易操控的特点，在未来高密度、低能耗、非易失性计算和存储器件的设计与制作中具有非常高的应用前景。当前学术研究的重点和难点就是把磁性斯格明子的优势和基于自旋波的元器件和逻辑电路联系起来，从而进一步实现对自旋波的掌控。

为解决上述问题，北京航空航天大学集成电路科学与工程学院于海明教授和南方科技大学量子科学与工程研究院陈济雷助理研究员通过研究证实，磁性斯格明子自身的旋转可以激发并调控纳米级别波长的自旋波。这种自旋波的波长可以低至50 nm以下，与当前工业界电子器件的尺度相适配；与此同时，通过施加不同方向的外加磁场，可以实现直接调控自旋波的传输方向，这对指导设计制造可控的电子器件与电路具有重要意义。更令人可喜的是，超短波长自旋波的发射并不需要通过微纳加工等繁复特殊的手段来实现，这将大大降低自旋波器件的应用门槛，有利于实现纳米级别自旋电子器件和电路的广泛应用。

图1. 磁性斯格明子激发纳米自旋波。

本研究利用磁性斯格明子（skyrmion）本身的纳米尺度涡旋磁结构能够在具有对称性破缺的磁性薄膜（如钴和铂金的多层膜）中稳定存在这一特性，并对其施加了不同方向的高频磁场。在磁场的驱动下，由于层间磁耦合作用的存在，斯格明子的旋转模式会传递到相邻铁磁绝缘体薄膜当中并激发自旋波。由于斯格明子的旋转具有更高的频率，其激发的自旋波的波长可以低至50 nm以下，与当前纳米尺度的电子元器件相兼容（图1）。施加不同方向的外加磁场可以调控自旋波的传播方向，实现纳米自旋波的单向传播，与电子电路中的二极管、晶体管等元器件有相似之处。

图2. 利用层间交换相互作用抑制自旋波的单向传播。

之前研究已经证明，两层相邻的铁磁薄膜之间存在两种相互作用：层间偶极相互作用和交换相互作用。本研究证明双层铁磁薄膜之间的偶极相互作用直接导致了自旋波的单向传播；而增加层间交换相互作用，该传播将会被抑制，从而致使自旋波实现逆向传播，这对于基于自旋波的逻辑器件和电路设计提供了更加广阔的空间（图2）。

图3. 利用Halbach效应调控自旋波的大小。

除层间效应之外，在具有对称性破缺的磁性薄膜上还具有Halbach效应（图3）。Halbach效应产生自磁体结构中的一种特殊排列形式，该效应能使磁体一边的磁场显著增强，同时使另一边显著减弱，广泛地应用于核磁共振、磁悬浮和永磁电机等工业领域。在磁性薄膜当中，由于对称性破缺的存在，薄膜的上下表面的偶极磁场强度不同，因此对于自旋波的激发效率不同，本研究证明，Halbach效应被用于增强或减弱自旋波的振幅，增强的幅度甚至能达到减弱幅度的2倍。

图4. 外加磁场调控自旋波的传播方向。

如前所述，作者利用了磁性斯格明子的旋转，实现了纳米级自旋波的高效激发，并利用外加磁场调控自旋波的传播方向（图4）。本研究还证实了通过层间磁耦合强度和Halbach效应调节自旋波的幅度、相位和传播方向等电子自旋信息的可行性，这将极大地拓展基于自旋波的逻辑器件和逻辑电路设计的自由度和前景；同时，无需微纳加工技术即可产生纳米级别自旋波，更是降低了自旋波器件的加工难度和技术门槛。总而言之，这项研究成果为业界提供了一个有效利用磁性斯格明子激发自旋波的设计方法，为未来设计制造基于自旋波的电子元器件及电路和量子计算燃起希望之光。

相关论文发表在ACS Nano上，南方科技大学陈济雷助理研究员为文章的第一作者，北京航空航天大学于海明教授为通讯作者。

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