Nanoskala spin-bølge kredsløb baseret på konstruerede rekonfigurerbare spin-teksturer

Informationsbehandlingsteknologier, der typisk er baseret på elektronladninger, kan også teoretisk gøre brug af det elektriske spin. Magnon spintronics kan udnytte kvantificerede spin-bølger, magnoner, som bærere af spinstrømme i integrerede magnoniske kredsløb. Bølgekarakteren og joule-opvarmningsfri udbredelse af spin-bølger er en lovende kombination til at konstruere højeffektive computerplatforme med integrerede magnoniske kredsløb. Selvom det er afgørende, realiseringen af ​​nanoskala kredsløb er ekstremt udfordrende på grund af vanskeligheden ved at skræddersy nanoskopiske magnetiske egenskaber ved hjælp af eksisterende, konventionelle teknikker. Magnonics er derfor et ungt forskningsfelt i skæringspunktet mellem studiet af spindynamik og videnskab og teknologi på nanoskala.

I en nylig undersøgelse, nu udgivet i Naturkommunikationsfysik , multidisciplinære fysikere i USA og Europa udviklede i fællesskab nanoskala, rekonfigurerbar, spin-bølgekredsløb ved hjælp af mønstrede spin-teksturer. I arbejdet, Edoardo Albisetti og kolleger visualiserede og kanaliserede de udbredte spin-bølger i vilkårlige nanomagniske bølgeledere ved hjælp af rum- og tidsopløst scanningstransmission røntgenmikroskopi-billeddannelse (STXM), uden eksterne magnetiske felter eller strømme. Ud over, fysikerne demonstrerede et prototypisk kredsløb baseret på to konvergerende nanobølgeledere for at give mulighed for afstembar rumlig superposition og interferens af begrænsede spin-bølgetilstande. Værket lægger grunden til at bruge konstruerede spin-teksturer som byggesten til spin-bølge-baserede computerenheder.

Spin-bølge manipulation er et lovende alternativ til konventionel elektronik for at udvikle energieffektive computerplatforme, med mange koncepter foreslået i de sidste par år for at realisere konceptet, fra dipol-udvekslings-spinbølger i begrænset geometri til spin-orbit-drejningsmomentbaserede spin-bølgefibre. En stor udfordring, der har hindret realiseringen af ​​spinbølgekredsløb i nanoskala, er den effektive kanalisering og styring af spinbølger, hidtil kun integreret i mikronstore elementer via eksterne felter, eller ved at bruge arrays af nanomagneter. På vejen til nanomagnonics, det er yderst tiltalende at overveje brugen af ​​nanoskala spin-teksturer til at kontrollere udbredelsen af ​​spin-bølger, selvom konventionelle metoder har forhindret sådanne bestræbelser baseret på domænevægge (hvor magnetiske dipoler eller spins omorienterer sig). Ud over, evnen til at styre spin-teksturer til at kontrollere spin-bølger i et spin-bølgekredsløb på nanoskala er også forblevet uhåndgribelig. I øvrigt, de begrænsede dimensioner af sådanne spin-bølgetilstande mangler endnu at blive observeret og undersøgt i detaljer.

Albesetti et al. demonstrerede de grundlæggende byggesten i spinbølgekredsløb ved hjælp af vilkårligt formede magnoniske nanobølgeledere og prototypiske spinbølgekredsløb. Opsætningen tillod den afstembare superposition af signaler, der forplantede sig i to konvergerende bølgeledere ved at mønstre spin-teksturen af ​​en ferromagnetisk tynd film ved hjælp af en tidligere etableret teknik med termisk assisteret magnetisk skanningssondelitografi (tam-SPL). Fraværet af fysisk mønster og reversibilitet af tam-SPL-teknikken tillod fuldt rekonfigurerbare nanomagnetiske strukturer baseret på spin-teksturer med konstrueret funktionalitet. Direkte beviser blev leveret via observationer foretaget ved hjælp af rum- og tidsopløst STXM på kanalisering og styring af lokaliserede spin-bølgetilstande, der forplanter sig inden for lige og buede domænevægbaserede bølgeledere, uden et eksternt magnetfelt.

Forfatterne mønstrede forskellige spin-teksturer i et udvekslingsbias ferromagnetisk/antiferromagnetisk dobbeltlag ved at feje en opvarmet scanningssonde ved hjælp af tam-SPL. Processen satte styrken og retningen af ​​ensrettet magnetisk anisotropi i den ferromagnetiske film, tillader nanomønster af konstruerede spin-konfigurationer. Ved at kontrollere geometrien af ​​det område, der scannes af spidsen, lige og buede domænevægge blev opnået. De mønstrede spin-teksturer og lokaliserede spin-bølgetilstande blev karakteriseret ved brug af STXM. En mikrostrip-antenne blev anvendt til spin-bølge-excitationen, der forplantede sig frit langs væggen, i tilstande kendt som vintermagnoner.

Derefter, stakke af Co ₄₀ Fe ₄₀ B ₂₀ (20 nm), Ir ₂₂ Mn ₇₈ (10 nm) og Ru (2 nm) blev deponeret på 200 nm tyk Si ₃ N ₄ membraner via DC-magnetronforstøvning ved at anvende et 30 mT magnetfelt til at fremstille bølgelederne. Mikrostrip-antenner (2 µm x 30 µm) blev fremstillet i enheden under anvendelse af optisk litografi. Det konstruerede udvekslingsbias-flerlag blev afbildet optisk for at visualisere orienteringen af ​​den mønstrede domænevæg i forhold til antennen. Statiske STXM-billeder viste spin-teksturer mønstret via tam-SPL, efterfulgt af tilsvarende mikromagnetiske simuleringer.

Forskerne brugte tidsopløst transmissionsrøntgenmikroskopi ved polLux (X07DA) endestationen af ​​den schweiziske lyskilde for at opnå tidsafhængig magnetisk konfiguration af prøverne. Ved at bruge teknikken, spin-bølger blev afbildet stroboskopisk med en punktopløsning mellem 40 – 75 nm; resultater for buede og lige vægge blev rapporteret. Gaussisk filtrering blev brugt til at forbedre kontrasten med en excitationsfrekvens (1,28 GHz) uden et eksternt statisk magnetfelt. Spin-bølgerne begrænset til domænevæggen forplantede sig væk fra antennen placeret i bunden af ​​panelerne.

Spinbølger, der forplantede sig langs en buet bane, blev derefter observeret ved en excitationsfrekvens på 1,11 GHz. spin-bølger blev begrænset til de mønstrede vægge og detekteret op til 2 µm væk fra antennen. Forfatterne rapporterede også om længere udbredelsesafstande langs en buet domænevæg, der kan detekteres op til 3,5 µm væk fra mikrostrip-antennen.

I undersøgelsen, mikromagnetiske simuleringer blev udført ved at løse Landua-Lishitz-Gilberts bevægelsesligning integreret i open source-softwaren MuMax3. Simuleringerne var i god overensstemmelse med de eksperimentelle resultater for at bekræfte udbredelsen af ​​excitationerne. Demonstration af udbredelseskarakteren og den positive spredning bekræftede muligheden for at bruge sådanne guidede tilstande til at transportere information inden for integrerede nanomagniske kredsløb. Bølgeledere, der kan kontrollere og manipulere begrænsede spin-tilstande, udgør grundlæggende byggesten til at realisere nanomagniske enheder. Forfatterne demonstrerede derefter et nanomagnonisk kredsløb, der tillod tunbar rumlig superposition og interferens af de guidede spin-bølgetilstande, der forplantede sig i to konvergerende bølgeledere.

Ved hjælp af STXM-billeder viste forfatterne en spin-tekstur bestående af to domænevægge, der kunne styres via påføring af et lille statisk magnetfelt, der spænder fra 2 mT – 1,68 mT. Systemet blev omfattende karakteriseret for at forudse styringen af ​​superpositionen og andre egenskaber af de guidede tilstande via eksterne stimuli for at forestille sig implementeringen af ​​logiske funktioner i spinteksturbaserede enheder; som tidligere kun projekteret med konceptet spin-bølge interferometre.

I dette arbejde, forfatterne konstruerede et prototypisk nanomagnonisk kredsløb, der tillod tunbar rumlig superposition af signaler, der forplantede sig i to konvergerende bølgeledere. Udsigten til at udvikle et rekonfigurerbart kredsløb i nanoskala var en langvarig eksperimentel udfordring. Arbejdet viste, at konstruerede spin-teksturer var en kraftfuld, alsidigt værktøj, der tillod eksperimentel udvikling af nanokredsløb. Forskningen markerer en grundlæggende overgang i den eksperimentelle udvikling hen imod integrerede nanomagniske computerenheder.

© 2018 Phys.org